天宮，地球軌道上獨一無二的中國空間站。
而對於建設和運維天宮的載人航天工程師來説，我們的工作中有三個天宮空間站：天上在軌飛行的空間站，地面以電性能産品在真實結構上組裝的全比例“復刻”空間站（以下簡稱電性空間站），以及數字世界裏用機電熱等多學科模型構建的數字空間站。
電性空間站用於復現天上的飛行狀態、設備和軟體升級驗證以及航天員部分操作的驗證與體驗；數字空間站用於飛行方案和飛行程序的倣真預示，並輔助在軌空間站的實時數據監視判讀。這兩者分別構成在軌空間站的物理映像和數字映像，共同保障在軌空間站安全運行。
▲“三個空間站”運行體系
物理映像用於飛行保障的做法很早就在航天器研製領域應用了。電影《阿波羅13號》復現了當年的歷史：包括備份航天員在內的地面工作人員在模擬器內嘗試並驗證了關閉指令艙電源、關停設備降低飛船功耗以及再次啟動指令艙等一系列應急操作，進而指導阿波羅13號乘組完成飛行中的操作，故障飛船最終得以安全返回。實際上，阿波羅飛船的模擬器已經不是全物理系統了：除了航天員的操控設備等為真實産品，相當多的運行參數是通過大型計算機模擬的。
▲阿波羅13號飛船指令艙模擬器和登月艙模擬器（圖源：《阿波羅13號》電影截圖）
載人空間站是一個百噸級且由數千台設備集成的組合體飛行器，其複雜性不僅體現在規模、體量和功能多樣性上，更在於研製過程中要很好地解決系統與局部以及系統各組成部分之間的關聯性問題，因此全局優化的實現極為重要，也尤為困難。大多數飛行器發射時即為功能完整的一個系統，而空間站的特點是一體設計、分段發射、在軌組裝，相關性的難度又擴展到了時間維。因此，數字空間站並不是對空間站研製與運行工作的補充，而是必需。
中國空間站的數字化工作始於空間站方案設計階段，與空間站的研製過程伴生。空間站全系統及各組成飛行器的設計、製造、驗證、測試直至飛行全過程，都採取了數字化方法；在研製需求牽引下，數字化工具也隨研製流程同步完善功能性能。數字化方法的有效應用，全面解決了複雜系統相關性、上下游流程有效銜接、不同專業相互耦合、組成部分間匹配協調及各參研單位統一管理等問題。
數字化並不是從空間站研製才開始有的事物，但空間站將其從局部應用拓展到全系統全流程，産生了量變到質變的效果。
0 從傳統V字研製流程談起
▲系統工程V模型示意圖
航天型號的研製是從用戶需求到飛行産品的技術實現過程，呈現出典型的系統工程“V 型”特徵。V字左邊是自上而下、從用戶需求開始並從系統設計逐層分解為分系統、單機詳細設計的過程，V字底部為生産製造，右邊是自下而上從部組件開始逐級組裝、集成、驗證並與左側層級一一對應然後驗證相應設計、最終經系統確認形成飛行産品的過程。時間上，從左到右構成一個完整的研製流程。
數字化技術的發展與各專業學科數值計算、數字化建模等方面的進步是相輔相成的。進入21世紀，在航天等工業部門，上述V字流程的許多環節早已應用了數字化工具，如專業設計階段的數值計算與倣真、産品設計階段的計算機輔助印製板電路設計和機械製圖以及加工生産階段的數控加工等。本文重點討論數字化的系統性應用帶來系統全局的收益。
1 數字化對主線流程的增強
（1）多學科聯合倣真——設計階段系統性的增強
在設計階段，全系統涉及機電熱不同專業，傳統做法是各專業學科分別根據系統狀態和要求開展各自的專業設計，之後提交設計結果，由系統設計單位進行集成和分析。負責不同專業設計的設計師會以各自學科的專業方法去建立分析模型、數值計算模型等，這個過程與相鄰學科少有交互。各家設計成形之後，設計結果才在集成分析時相互見面。
▲各類專業倣真
a．從“頭腦協同”到“模型協同”
為了確保設計的協調性，航天工程在設計初始階段通常採取集同設計的方式，即由總體單位組織各方設計師集中在一起協同工作，通過方案和設計的面對面交流共同形成初步的系統方案，之後才各自開展專業設計。限於設計與分析工具的能力，這類協同更接近“頭腦協同”，即系統內部各部分間的關聯關係多存在於設計師頭腦中，以文檔形式描述。這個階段的聯合設計也更多地基於相關專業的原理模型，以分析和對此簡化模型做倣真的方式量化確定系統指標、接口參數等的估算值和上下限。具體詳細的設計和性能參數要待各專業設計完成、基於專業模型的倣真完成之後，才可以提交集成並進入系統設計迭代過程。作者在參觀歐洲航天局（ESA）總部協同設計中心時，介紹人員也強調，重要的不是計算機放在了一個屋子裏，而是各方設計師的頭腦集中在了一起。
隨着數字化技術的發展，空間站在研製過程中建立了多學科聯合倣真系統，在圖形化界面的輔助下，以通用的模型語言來描述微分和代數方程的形式，表達相應的物理功能，並通過方程及參數間的關係體現物理功能的相關性。建立這樣一個系統的直接好處是可以在同一&&上統一進行能源、熱控、環境控制、信息、姿軌控、推進等功能的集成倣真，系統參數、專業間的耦合關係及量化的影響都在此&&上呈現並共享，設計師們能得到比原理模型倣真細緻得多的全系統信息並對其進行管控。
系統模型是相互關聯的有機整體，各設計方既可開展各專業的獨立倣真驗證，也可與相關方直至全系統開展多學科綜合倣真驗證。此時，協同設計以“模型協同”方式進行，模型內嵌的數學公式直接驅動並表徵設計狀態，交互物理參數。聯合倣真&&同時成為模型狀態及數據關係管理的輔助工具，各家可共同維護並共享系統模型。
▲ESA協同設計中心（圖源：ESA）
b．物理系統的數字化伴生
這種系統建模方法實質上也是傳統專業建模仿真的革新：數學模型不再以專業領域劃分並抽象化，而是可以與空間站真實的物理産品構架保持一致，以系統-分系統/子系統-單機設備-部組件/器件的層次逐級建立多學科模型，則實物産品得到了其對應的數字化伴生品——數字樣機。更進一步，各級構建數字模型/樣機的過程與設計研製過程一致，先自上而下逐級設計、分解並詳細設計相應的模型，之後自下向上各級次第集成、倣真、確認並最終構成系統。
上述迭代過程可以在設計階段即完成。相較於在實物樣機研製出來之後才能逐級集成測試的傳統流程，這種基於模型的閉環驗證不僅細化了設計顆粒度，在流程之初就覆蓋了足夠多的設計要素且建立了彼此關聯，而且通過數字化工具使總體設計人員可提前掌握更加具體、深入的系統信息，對於尋求全局最優解和儘早發現不協調處等都有着非常現實的意義；下游單位也可在實物産品投産前獲得更為準確的研製要求。
20%的設計投入往往影響了80%的成本。數字化設計讓全系統的研製“重心”實現前移，通過設計初期的優化工作極大提升項目的最終效益。
▲基於模型的全周期系統工程
需要説明的是，以Modelica為代表的目前較為成熟的多學科系統建模語言只適合常微分方程組的求解，不太適用於有限元、電磁場等需要求解偏微分方程的問題。因此，並非所有專業分析與倣真都能實現模型化協同與集成，這也是多學科聯合倣真需要進一步解決的問題。
▲中國空間站設計中的多學科聯合倣真
（2）數字樣機——流程各階段的協同與集成
通過統一的建模語言設計開發空間站系統、分系統、單機設備等不同層級的數字樣機模型，並不只是設計階段的工作。
在各研製階段，也可用同樣的方法構建相應的數字産品：方案設計階段可依據功能設計構建功能模型，産品研製、製造階段可分別依據産品的具體設計參數、加工製造參數等建立産品模型和製造模型，産品研製完成後則可根據其各項性能指標的實測值建立實做模型。數字樣機模型可以與空間站真實産品狀態一致，研製階段一致，同步更新；各階段都可基於當時的整套數字樣機進行模型集成，搭建所需的分系統或系統級倣真驗證模型。也就是説，研製流程的任一階段均可進行數字化綜合驗證，為實物研製提供參考或與實物測試進行比對。（注：本節中出現的各模型名稱均指各階段的數字樣機，如“製造模型”指利用製造參數構建的數字樣機，並非數字化生産過程中用於數控設備的模型。）
▲Modelica界面下系統各組成部分及其接口的模型化表達
a．系統集成在數字空間的實現
傳統研製流程中，實物産品研製完成後才能進行産品性能和設計期望的對比，産品通過逐級裝配集成才能依次對子系統、分系統和全系統進行測試驗證。漫長的工作過程中，一旦後端出現問題，流程反復的代價極大。這是所有系統工程研製都強調初始設計正確性的原因。
而且，集成後的系統中可能有很多單機或子系統的特性無法正確反映。比如，在地面測試階段，集成後的空間飛行器電性能可以做較為完整的測試，發射段力學條件和飛行熱環境可以採用包絡條件和典型工況進行考核，但除此以外的其他性能都無法在地面直接考核驗證。以往解決此類問題常用的方法一是對驗證目標進行分解，部分性能在單機或子系統階段測試，如交會對接的相對測量設備在交付總體前需在專用設施上完成實際測量性能的測試；二是在系統測試期間引入倣真，比如在飛行器系統測試期間，GNC控制器外接上環境和動力學模擬器之後再運行飛行程序。但這些措施都無法在研製全周期、全系統環境中充分驗證各組成部分的完整性能，而數字樣機能夠在數字空間做到。
因此，在時間上，V流程的左側各階段通過數字化手段可在實物産品集成甚至研製之前進行部分或完整系統的聯試，及早發現錯誤或系統各部分間的不協調；在系統完整性方面，數字空間的全系統運行對於物理産品的部分運行是非常有益的補充——這一點能在飛行前實現尤其有意義。
▲中國空間站全系統的數字化集成
b．數字模型的“有所為有所不為”
由於空間站的系統複雜性，多學科倣真分析不可能完全覆蓋空間站全部層級的所有狀態，各單機、專業的建模範圍和顆粒度需根據任務需求和建模單元對系統的影響程度進行具體設計。關鍵功能設備以及有明顯綜合性物理特性的設備須進行精細化建模，機電熱性能完整；對於一般功能設備，在滿足倣真目標的前提下可進行適當簡化建模，確保整體模型規模適度，求解效率優化。
按建模精細程度，模型大體可以分為三大類：多學科集成模型、專業功能模型和簡單邏輯模型。
第一類是關鍵設備，建立完整機電熱多學科集成模型。典型例子是機電類設備如抽氣泵，既包含指令驅動的控制邏輯、電機轉速變化等功能機理，又要體現與轉速對應的電機功耗、熱耗等特性，還要有抽氣流量、流速等對外輸出。
第二類是功能類設備，建立相應的專業功能模型。典型的是各類計算機設備，需要建立起對各類信息解算和處理的功能模型，嵌入信息流中。功能類設備只考慮與系統有密切交互的功能，其他可以忽略。例如，顯示器、攝像機、照明燈等，其功能性能體現在人機交互，對&&系統的直接影響是耗電和發熱，因此在建模時可以將其簡化為電和熱負載考慮；載荷設備通常也以負載模型嵌入系統，其外部特性體現的是空間站需保障的供電、信息傳輸、散熱等各類資源。顯示和攝像功能、載荷的科學試驗功能等可以單獨進行專門倣真。
第三類是邏輯類設備，在系統中體現為開關邏輯或狀態參數，而沒有明顯的機電熱特性。如承擔某些瞬時動作的閥門和一些傳感器，可建立簡單邏輯模型，其模型可以簡化為狀態開關或某個特定系統參數的讀取。
綜上，數字樣機的實現是建模方法變革的結果。發展歷史更久的各學科建模，需要基於專業原理對系統進行抽象，然後得到模型。例如，在進行結構設計時，整個空間站可抽象為板殼、梁、桿等承力結構，建立力學模型。此模型中是沒有電性能的（力學分析者眼中的空間站就是一個巨大的受力結構），直接建立力學方程組並進行求解，所得也是模型內各部分的應力分佈等力學參數或模態等外部特性。數字樣機建模則是基於系統的實物組成，按建模對象機電熱功能性能及外部特性去構建模型。用統一的建模語言在同一個&&上對多學科特徵進行數學方程表達、建立綜合模型，相當於在數字空間以多學科原理及邏輯搭建了一個實物産品的映射體。
這兩類模型並非相斥關係，而是各有應用場景。專業模型用於精細、深入、具體的專業設計；多學科模型則用於體現系統各組成部分間相關性和快速綜合驗證與系統優化。兩類模型及其構建和應用都是數字化研製工作的必要部分。
▲多學科集成的數字化系統（上）與專業倣真（下）
（3）同源模型傳遞——流程的貫通
設計和研製的各階段有各自的模型，但這些模型不是彼此獨立的。模型的構建、完善、修正都基於同一源頭的初始模型並隨着研製流程推進，這是各環節均應用數字化帶來的便利。
以最為常用的三維幾何模型為例。系統設計師根據總體設計參數構建初始的三維模型，包含反映基本構型的幾何信息；該模型傳遞給結構設計部門，結構設計師在此基礎上開展詳細設計：先構造力學模型進行受力和動力學分析，經過修正迭代並考慮加工工藝後形成最終的結構設計結果，最終得到的結構模型相當於傳統流程中的結構設計完成後出的圖紙。
結構模型有兩個去向，一是附加上加工製造要求相關的信息傳遞給生産廠，二是返回總體設計部門用於詳細的設備、管路和電纜布局；生産廠接到包含製造要求的模型後，制定工藝並將工藝參數賦予模型形成數控機床的輸入，機床按此模型加工出結構部件；總體設計部門的詳細布局完成後，模型將包含設備安裝位置與緊固方式等信息，且有了管路和電纜網的詳細走向及長度；電纜網模型用於生産廠生産電纜；管路模型則交由工廠的數字化彎管設備進行管路空間曲線形狀的直接成型，加工後的管路産品通過全數字掃描後再與加工所用模型比對，産品（掃描）與模型一致後方可驗收；包含設備、管路和電纜的完整模型一併傳遞到總裝安裝部門，他們會據此制定安裝工藝並交由總裝工人，依照三維安裝模型實施裝配……
▲空間站結構及結構上安裝的電纜和管路模型
由三維模型的例子可見，數字模型在研製流程中的作用具有幾個特點：
a．模型是同源傳遞的
在正向設計過程中，採用數字建模方法建立的是系統的唯一映像，該映像在數字空間中伴隨其物理“真身”同步演進。研製流程中任一階段的模型都可以回溯到同一源頭，即初始的系統設計狀態。只要保持以模型傳遞並在其上增補每個研製環節所需要素、形成新模型，就可以保證同源所衍生各種模型的基本要素（特別是不同模型中包含的同類元素，比如幾何尺寸）和關聯信息是一致的。模型同源，保證了數據的唯一性和有效關聯：唯一性是不同部門不同專業協同設計做到數據協調一致的天然保障；關聯性的保持則使得數據及其變化可回溯，局部變更或出錯的影響都因此而可控。
b．模型伴隨着研製信息的傳遞而傳遞
模型本質上是數據文件，因此不僅是模型要素表徵的物理參數伴隨模型傳遞，而且可以人為關聯上其他需要的、符合規定格式的信息。比如，三維模型可關聯加工或裝配過程所需的工藝信息，可以是數控機床能直接讀取應用的信息，也可以是給操作工人的要求和提示。
同樣基於這種理念，設計方案和要求也可以建立模型化的數字格式，並以此模型進行同源傳遞和逐級演進——這是基於模型的系統工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）的基礎。從航天器工程研製的歷史看，流程各階段設計/研製要求的下達及結果反饋，由文檔進步到電子化、參數化，現已進入模型化階段：建立、確定內部和外部參數邏輯及數據關係的數字模型，將模型作為信息載體協同各研製部門，並銜接流程的各階段。
c．流程通過模型銜接
系統設計、驗證、製造與集成測試各環節分別開展數字化工作，全流程被同源模型連接貫通，結合專業與集成倣真，可以形成協同單位之間和上下游部門之間的快速反饋迭代。這裡的“快速”不僅僅指倣真所需時間比實物驗證少得多，還意味着反饋可以在實物産品製造出來之前實現：傳統流程中的工藝設計與分析介入産品研發較晚，而通過數字化快速迭代，能夠在設計早期進行可製造性的分析，優化産品設計的製造性能，避免進入生産階段出現代價高昂的實物産品修正迭代甚至設計反復的情況。不僅如此，數字化還建立了反饋“捷徑”，包括實物産品出來之後的任一環節都可以直接反饋至設計端。産品實際加工和測試信息及時反饋到系統設計，可提前暴露實物集成甚至飛行試驗可能出現的問題，提高質量和效率。
以模型作為流程銜接的載體，也使得複雜參數有了完整精確的表達方式，這是文本和圖紙載體的升級。再以前面提到的管路製造過程為例。利用數字化的加工和掃描技術可以在工廠直接成型以數字模型表述的空間三維管路，而無需像傳統工藝那樣在裝配現場取樣後才能開展加工、加工是否合格還要返回現場進行試裝作為驗證。模型貫通流程，各階段數字化工具得以充分發揮效用，大大增強了研製效率和效益。
▲源於設計模型建立的生産模型（圖源：《航天器工程》）
模型傳遞面臨的一個現實問題是，研製流程各環節的工作是由不同專業不同業務的不同部門承擔的，往往各家都有自己的工具軟體，採用各自定義或遵循自選某標準所規定的模型格式。很多時候，各單位自發開展的數字化工作基礎越好，打通各家間的模型格式壁壘難度越大。這個環節看似常規的數據格式轉換，實際上需要花費大量時間精力研究透接口雙方模型的數據格式及其包含的信息內涵，才能實現數據文件亦即模型的完整、準確轉換，從而將數字化的信息不損失、不失真地傳遞下去。而這個打破壁壘貫通接口的過程不僅需要相關的雙方在技術上相互了解透徹，更需以管理上相互接納為前提。這也是數字化工作需要自頂向下統一規劃和管控的原因。
▲基於模型的航天系統工程（圖源：ESA）
（4）從需求管理到飛行保障——流程的前後延伸
數字化/數字模型是一類普適的方法和工具，不同類型的專業工作都可以根據其處理問題的特點將信息和數據做適當的結構化、規範化表達，然後構建數字化模型。數字化的另一個好處是不僅可以學習借鑒其他已有模型的構建方法，而且可以對其進行數字化加工改造，派生出新的模型。這樣，數字化不僅可以覆蓋傳統V字全流程，而且可以向前後延伸。
a．向前延伸——需求模型
正式開展設計之前，需求分析工作通常是以討論、論證、分析等方式開展的，將需求轉化為功能和性能要求，同時整理並明確技術、進度、經費等各方面的約束條件。可見，需求也有其內部清晰的結構和關聯性，以數字化視角可以將需求理解並構建為一類廣義的模型，相關信息可以包含在此模型內傳遞。目前通行的系統工程建模語言SysML即提供了有效的工具，通過圖形化視圖來描述系統各要素之間的邏輯關係，取代文檔中通過自然語言的描述和記錄。
▲SysML結構化需求的關聯與追溯（圖源：《航天器工程》）
相對於V字流程的其他步驟，需求分析是數字化應用尚不充分的一個工作階段。技術方面的原因是，這一階段的工作尚未形成具體方案和諸如結構、信息流、設備等有形的産品，傳統意義上的專業模型更是很少涉及此階段。更主要的原因來自非技術因素：
1）單純從需求分析這個階段看，實現模型化的整理性工作是“額外的”，需要付出時間、人力去做條目化、結構化和相關性關聯等工作。此階段多為分析討論、頭腦風暴一類的工作，設計師們會直接採用自然語言交流並形成分析結果，此後則需要二次加工，進一步以規範化方式去描述並同步建立模型。（這一難點可能在人工智能語言識別能力增強後會有好轉，但現階段仍需設計師本身具備此能力且親力親為，才能盡可能保證模型內涵不失真。）
2）對於很多需求分析的結果表達——如分解後的指標體系，自然語言和傳統文檔已經足夠清晰和便於傳遞了。
3）模型化工作的優勢必須通過實用的數字化工具來體現。例如，相關性的建立及分解傳遞、研製過程中對關聯關係的維護，必須有統一的、貫通研製全流程的工具&&讓各協作單位共享。
4）需求模型建立容易，維護困難。應用需求模型的最大優勢在於需求要素相關性的建立和傳遞，最難維護的也恰恰是關聯關係。除了要配置第3條所述的統一&&外，技術上需要採取措施保持各階段各家模型的版本一致，必要時可統一回溯至某一階段版本；管理上也要付出更多的成本，如維護權限管理；過程中一個局部變更對上下左右相關性的影響代價的權衡等無處不在，可以説全程都要解決效率和全面性的矛盾。
扁平化的研製體系能有效減少局部變更的影響層級，讓此類問題更容易解決。反過來看，也只有建立了關聯關係的數字化模型並用工具維護管控，才讓每個設計部門/步驟有能力處理更多的橫向關聯，使得減少層級實現扁平化成為可能。
因此，對於需求分析階段的工作，模型化並非必需，其效果也不體現在此階段。近年來需求模型化開始越來越被重視，更多地是由於其對全系統及全任務周期帶來的好處。需求模型的建立及傳遞，對於全流程的效益是極大的。逐級的需求分解都攜帶完整的相關性信息，在設計和研製的過程中，子系統到分系統乃至單機都可以由此溯源，知曉自己的功能性能在系統中的角色和作用，清楚自己的組成要素與系統內哪些部分相關聯。在正向設計中，可以通過與相關方建立模型接口或模擬相關方特性的方式將自己置於“系統環境”內進行測試，而不用等到物理系統真正生産出來再集成到一起；在出現問題或更改時，也可以準確找到相關方開展協調修正，不會因遺漏導致實際有關聯的問題被隱藏。若到研製階段後期才發現漏項，更改代價將大得多。
▲NASA需求管理流程（圖源：NASA）
b．向後延伸——飛行模型
空間站入軌後，在實際飛行中獲得了真實的軌道環境參數和飛行器狀態數據。這些更全面的真實物理值可以用於再次修正模型，形成飛行模型——在軌條件下的實做模型。
從系統模型的演進歷程看，這是空間站工程第一次以全面、真實的系統運行狀態（包括環境和系統自身）對模型進行完善。在此之前，受限於系統完整性、天地環境差異以及地面驗證的可行性，所有的數字化系統模型都是部分基於理論值、設計值來構造的，軌道運行、運動控制等也是基於物理原理方程構建的。所謂的倣真，倣的只是期望狀態。
飛行模型是第一次獲得的全真的數據修正。對於一些地面環境無法獲得的性能參數，在軌數據修正尤其重要。例如，空間站使用了大型可展收的柔性太陽翼，因尺寸大、頻率低，地面無法準確測得其頻率特性，因此在各艙段入軌後專門開展了太陽翼頻率和模態辨識，獲得了帆板真實的在軌特性，並據此修正了地面的數字化模型。通過核心艙的在軌參數辨識和模型修正，未發射的實驗艙可以獲益，其控制參數能夠與帆板真實特性更匹配。
在實際應用中，飛行器傳感器和遙測數據所能表徵的狀態遠少於數字化模型所包含和表達的參數，因此數字化模擬部分、也就是地面工作人員能夠獲得的天上相關情況的數字映像對於模型仍然必不可少。這樣，利用遙測參數對數字模型修正後，地面就掌握了一個相對完整而又足夠真實的數字化空間站，可為空間站的在軌運營提供非常有用的保障。
綜上，數字化應用以及由數字化模型貫穿始終的工作流程將傳統V字的兩端都延長了，將前期需求分析、研製以及研製完成後的在軌運行連通，並且在實際工作中把需求模型分解傳遞到了研製流程的各階段；研製形成的設計模型、製造模型、倣真驗證模型和實做模型都可以為運行所用，包括但不限於形成在軌飛行模型。
▲ESA基於模型的系統工程航天任務總覽（圖源：ESA）
2 數字化對物理過程的替代與融合
飛行器研製過程中，除了産品本身的生産製造、測試、集成、驗證等工作之外，還有一類非常重要的實物環節，即試驗驗證。尤其是方案階段的原理性驗證和初樣階段的研製與鑒定驗證，對最終確定飛行産品狀態起着舉足輕重的作用；充分、有效的試驗是研製階段完成的重要標誌，也是研製質量的保證。
數字化研製模型貫通了全流程及各參研部門，並因其在各階段均具有系統集成能力而成為研製工作依託的中樞。隨着數字化過程的實現，實物試驗的作用發生了變化。
（1）研製過程——實物試驗角色的變化
a．典型工況驗證及修正模型參數
設計、實施正確的實物試驗，可以最直接、最接近真實狀態地對産品設計、産品生産製造狀態及其在工作環境下的性能進行驗證。實物試驗的不足之處在於：很多飛行工況地面無法模擬，如長時間的微重力環境、空間站的姿態和軌道控制以及各種故障模式等；傳感器獲得的數據有限或不夠真實，如力學試驗只能測得結構表面應變而無法直接獲得內部應力；周期長且成本高，也因此無法遍歷所有可能的工況；試驗子樣有限，結果有一定的個性化，對於數量更少的拉偏工況，結果離散度更大。系統集成度越高，這些缺陷越顯著。
數字化模型的倣真能力增強後，恰好能彌補上述短板，因此自然被用於替代部分實物試驗。替代的前提是倣真足夠“真”，即數學模型反映物理世界的準確性、精確性足夠高。
在此情況下，實物試驗的角色轉變為只進行典型工況的驗證，並根據典型工況獲得的試驗數據修正數值模型參數，以修正後足夠“真”的數值模型做各類工況的遍歷。
空間站研製中一個應用非常成功的例子是對接機構的緩衝試驗：軌道上兩個飛行器的對接是在停止姿態主動控制的條件下進行的，每個飛行器有6個自由度，可自由漂移。地麵條件下，對接機構的緩衝性能只能在氣浮&&上以等效慣量模擬飛行器進行驗證，垂直於&面方向的自由度被限制了，兩個“飛行器”只能在&面上漂移。
▲氣浮&&上的對接機構緩衝試驗（圖源：中國質量新聞網）
這種情況下，可以在氣浮&&上對特定對接初始條件的工況進行試驗，比如設置特定的對接偏差角度、角速度和相對運動速度，回避垂直&面方向的運動。採用數值倣真試驗同樣的工況，比較倣真與實物試驗的結果，調整修正數值模型的相關參數直至二者吻合，則可認為數值模型足夠“真”地趨近物理産品。再以數值模型大量開展各種工況（包含各種對接初始偏差、艙體質量特性變化、環境干擾、故障等條件）的倣真，覆蓋可能的任務情況，就能獲得對於對接機構緩衝性能的全面評價。更重要的是，通過數字化模型參數的調整，可以快速驗證改進優化的效果。參數經倣真確認有效再用於實物試驗，極大地提高了研製效率。
▲對接緩衝過程數值倣真：單項偏差條件下的衰減曲線（圖源：《航天器工程》）
正樣産品的驗收性試驗與上述討論不是一類問題，其主要目的是為了檢驗産品生産及裝配集成的質量，因而是不可替代的。但數字化模型仍然可以為試驗工況提供有益的輔助。例如每個航天器出廠前都要進行的力學振動試驗，振動量級和限幅保護條件的設置就可以參考數字化倣真結果進行合理選擇。
飛行器在火箭頭部隨火箭發射時，器-箭共同形成了一個自由體。以此狀態經受發射和上升階段的振動，器-箭連接面是隨着整個自由體運動的。在地面試驗時，飛行器要固定在振動&上，模擬器-箭界面的連接部位固結在&面，即飛行器以底端固支的懸臂梁形態振動。顯然，對於同樣的器-箭界面振動條件，由於懸臂梁的“甩動”作用，飛行器頂端的振幅相對於飛行狀態被放大了。對於空間站艙段這樣長細比大的飛行器，這種放大效應更加明顯。
因此，振動&上的試驗並非模擬真實飛行時的振動狀態，而是要保證飛行器上各部位的振動量級都能夠不小於實際飛行。換句話説，地面振動試驗是靠量級覆蓋，而不是真實再現飛行。這樣，試驗實施時需要選取合適的振動條件，並且為防止甩動造成艙段頂端振幅（或加速度）過大，還要有合適的限幅保護門限。這些參數都可以參考器-箭組合體振動倣真分析獲得。以數學模型模擬器-箭自由體是相對容易的，且由物理定律保證了該自由體特性的準確性。通過倣真，可以獲得實際飛行條件下空間站艙段各部位的振動情況；同樣再以數值模型倣真地面振動工況，獲得甩動條件下的振動分佈和放大情況。綜合兩組數據，可選擇合適的振動&試驗條件，保證量級覆蓋、限幅合理。
b．虛實結合的半物理驗證
實物試驗的另一種新形式是與數字化模型融合，形成半物理驗證系統。
仍然以對接試驗為例。若要進行對接全過程驗證而不僅僅是緩衝性能試驗，兩個飛行器的相對運動模擬必須有6個自由度，解決方案是以Stewart&&為基礎建立半物理（半倣真）試驗系統。在這個系統內，對接機構是真實的物理産品，表現出真實的力學特性和機構動作，兩飛行器的力學特性則體現在倣真模型中。對接機構接觸後，將力和位移/角度傳感器獲取的對接條件參數傳遞給Stewart&&的控制器，控制器內的計算機以此為條件開展兩飛行器的動力學倣真，按飛行器的運動狀態去驅動六足連桿，強制對接機構的相對運動，讓對接機構置身真實的力學環境中。這樣的半物理系統不僅能夠在短時間內大量模擬各種對接初始條件下的對接過程，而且可以方便地模擬不同（質量特性）飛行器間的對接過程。
▲俄羅斯空間對接機構地面半物理倣真綜合試驗&（圖源：《空間對接機構》）
全系統的數字樣機構造完成後，集成試驗時同樣可以採取虛實結合的方式將數字化成分融入系統集成。比如在真實的物理系統集成測試中，以下幾種情況都可以用數字化模型融入或替代：
1）飛行環境的模擬：軌道條件、導航星座條件；
2）地面無法獲取的飛行特性：姿軌控時的飛行器動力學特性；
3）某些設備因各種原因“缺席”，由數字樣機替代並提供與真實産品一致的特性。
因此，實際的空間站集成測試是一個虛實結合的系統，實物産品與大量的模擬器、倣真機連接，物理産品與數字化部分信息連通、數據融合，並通過靈活組合完成各種複雜綜合工況的測試。
▲天宮空間站三艙集成測試（圖源：央視新聞客戶端）
（2）飛行任務——數字空間站的作用
前面講到，數字化延伸到空間站的飛行階段，可以利用在軌實際數據構建一類特殊的實做模型，建立數字空間站。
數字空間站的應用與地面測試階段的數字化集成模型相似，但又有不同。在軌飛行時，空間站的工況是真實完整的，飛行器狀態、敏感器輸入都是真實環境下實際物理狀態的反應，通過遙測數據可以反過來驅動數字模型，這樣就形成了數字系統在真實環境下運行的效果，讓天上的空間站和數字空間站呈“伴隨”狀態。
數字空間站的主要應用場景：
任務前倣真分析。對即將進行的飛行事件和狀態進行倣真，確認飛行程序及狀態參數的正確性，以及空間站各分系統、設備間的狀態匹配協調。例如，機械臂輔助出艙活動任務前，將臂的控製程序在數字空間站進行倣真預示，檢驗其運動規劃的正確性，對人-臂-設備的空間及動作時序協調性進行檢測。驗證後的飛行程序才注入在軌飛行的空間站。大的任務動作前，也可以進行能量平衡、姿態控制角動量卸載等情況的倣真預示，用於優化飛行程序，並為故障預案的制定提供依據。
任務中狀態監控與預示。數字空間站可以輔助例行的遙測數據判讀。飛行數據下行後驅動倣真模型，可以實時生産狀態判據，同步進行自動判讀。以實際飛行狀態的倣真結果作為判據，比依據設計狀態或標準測試狀態制定的判據更合理，更符合且接近真實情況。例如針對帆板發電受空間站自身遮擋影響情況的判讀：陰影是不規則的，傳統上只能預估影響的量級；數字空間站利用姿態數據並結合當時的太陽方位，可以即時解算出帆板被遮擋的準確面積，從而得到準確的發電預估。以此作為依據，可對發電相關的遙測數據做精準判讀。機械臂也採用了這個方法，將天上的驅動參數下傳地面，可以快速倣真出機械臂運動路徑。天上的機械臂開始運動後，物理量遙測可與數值倣真結果全程比對判讀，做到實時、準確。
在軌故障分析與處置。天上一旦出現故障，通過模型的相關關係可以溯源和反演，協助故障定位；故障狀態注入模型可以復現在軌故障，驗證定位的準確性；故障處置措施可以先進行倣真驗證，確認有效且無不良影響後再注入到空間站上。所有這些工作的狀態設置和執行都比採用真實産品測試驗證快得多，風險也更小。
在軌飛行狀態評估。空間站飛行狀態的綜合評估是經常性工作。數字空間站既可以“重演”之前的任務狀態，也可以“凍結”某一時刻狀態，還可以將當前狀態作為起始點預示未來運行趨勢。對於待分析的特定狀態，可以方便地加入偏差或想定故障，進行狀態穩定性或設計裕度的數字化試驗。所有這些功能對於全面、綜合地評估空間站全系統飛行狀態是非常有意義的。作為評估的成果，當時狀態的飛行參數也可用於修正數字空間站模型，保持天地一致。這樣，同步更新的數字空間站、地面電性空間站和在軌空間站就構成了“三個空間站”的運營體系。
▲天宮空間站的數字映像（圖源：中國載人航天）
3 數字化向管理領域的拓展
數字化模型不僅可以貫通空間站設計研製全流程，並且易於在其上嵌入相關的結構化信息，構建新的關聯關係。這些信息可以是多種來源的，並不局限於設計研製的主線流程。空間站作為一型航天工程産品，其實現過程中的技術狀態、質量、計劃等要素同樣可以嵌入模型，並通過模型與研製流程關聯，有效地輔助技術、質量及計劃管理與研製協同推進。
（1）技術狀態管理
空間站系統組成的各層級、各部分研製狀態和相應的數據信息在研製過程中始終頻繁地動態變化，這是創新和探索性項目的共性特點。鋻於空間站系統的複雜程度及眾多部門長周期的協同研製過程，建立空間站各研製階段的狀態基線並對相關狀態及狀態變化進行有效、精確的管控，尤其是要保持有關聯關係的狀態始終協調，非常重要也非常困難。
對確定的技術狀態，可以建立從系統到單機的各級狀態模型，模型中可以包含相應的狀態數據。很重要的一點是，前述從需求分解開始逐級傳遞的關聯關係必須同步嵌入狀態模型，並且在模型內部指向到具體的狀態數據。這樣的狀態模型可以用於：
1）建立研製各階段的技術狀態基線。這是所有狀態管控的基準，也反映了該階段的研製預期。在時間維上，隨着研製進程建立設計狀態基線、製造狀態基線、試驗狀態基線和各飛行階段狀態基線。在系統維上，這些基線狀態包含了全系統完整的各組成部分。統一模型規範，可以自上而下逐級建立到部組件乃至器件級的顆粒度。系統狀態基線建立的同時同步構建了系統各部分間的相關性，用於狀態管理和維護。
2）技術狀態版本及偏差分析。正常研製過程中，實際的研製狀態逐漸趨向並最終達到當前階段的狀態要求。這一過程中的各中間狀態可以按版本進行管理，使全系統狀態始終清晰明確。短缺項或與要求狀態偏差較大的部分，可以通過相關性分析迅速找到源頭和被影響方。源頭可能就是研製難點，也將成為計劃和質量管控的參考依據。
3）技術狀態更改管控。當任何一個層級的某一部分隨着研製進展發生了變化，如通過優化完善了設計或出現問題需要修改原設計等，都可以借助狀態關聯關係進行狀態變更的影響域分析。不僅要找到受影響部分及對應的狀態、指標等，提出需要協調變更的地方，而且可以通過數字化倣真的手段對變更影響進行快速分析。空間站屬全新研製的複雜航天器，在研製的各個階段尤其是方案和初樣研製過程中，因設計迭代、設備選型配置、均衡指標、製造和驗證出現問題等原因發生的更改是非常頻繁的。及時全面的影響域分析和快速準確的影響評估有助於：
a.評價變更必要性。分析局部變更帶來的好處，統籌考慮變更帶來的系統影響和代價，將視角由局部優化擴展至全局優化，評估是否更改決策。
b.保持全系統協調一致。對於必要的變更，需要同步對相關部分也進行相應改變。源頭和受影響方的更改方案須協調一致，同時也要在時間進度上保持同步，以利更改後的協同驗證。
c.識別系統對外影響。有些局部變更的影響不僅會影響到系統指標，還可能涉及對外接口，例如：設計變更導致的重量和尺寸變化會導致運載火箭發射條件的變化；對地面測試項目進行增減需要發射場保障條件相應調整；空間站上測控設備的指標必須與地面測站和中繼衛星匹配；空間站組合體姿態控制穩定度則影響來訪飛行器的交會對接控制參數。這些狀態和指標也因此被稱為系統指標，必須由系統總體掌握並嚴格控制。如必須變更，須提交工程總體並與火箭、發射場、測控、飛船等相關大系統協調一致，完成更改狀態驗證。
d.知曉變更代價並及時採取對策。狀態變更、尤其是實物産品階段的變更會帶來研製進度、經費等方面的代價，對資源投入等也提出了保障要求。有效的技術狀態管控要求實時知曉變更代價並及時採取綜合措施，在設計、驗證、保障條件、對外協調等方面適時調整。
4）研製歷程技術狀態記錄和回溯。實時對各階段直至全周期的技術狀態進行記錄。不論是針對全系統還是以某個具體狀態演變為線索，都可以方便、全面地對狀態過程進行正向跟蹤和逆向溯源，對最終狀態符合要求的情況做準確評估，這是各階段研製總結的重要信息。狀態記錄和分析也是識別研製風險的參考，可以為下一階段狀態要求及研製流程的制修訂提供依據。
5）飛行狀態實時動態管理。這是空間站相比其他飛行器的新課題：
a.飛行狀態動態變化
空間站運行過程中始終有航天員在其上工作，有設備軟硬體設置的變化，有飛船往來，有載荷配置的增減，機械臂等重要設備處於不同的工作模式，後續還有艙段的擴展。整個空間站組合體的狀態始終呈動態變化，十年飛行期間甚至會有很多狀態在地面從未測試過。換言之，地面階段只能測試組合體的功能和典型工況，無法窮舉實際的在軌狀態。數字化模型支持下，可以先對預期的新狀態開展快速倣真預示，必要時做調整，確定後再實施；同步可對狀態進行全面準確的管理。
b.基線狀態的多樣性
地面研製時，全周期工作都是瞄準最終的發射和入軌工作狀態開展的，有限的幾個研製階段分別設置了狀態基線，過程中的絕大多數狀態都是過渡狀態。但在飛行任務中，狀態基線在時間和任務維度上都呈多樣性。例如，空間站建造過程中存在單艙、兩艙一字構型、兩艙L構型、三艙斜T字構型、T字構型等多種狀態，每個狀態都要保持一定時期的穩定飛行，分別有標準的狀態基線；每次出艙任務，機械臂都要從停泊狀態轉入工作模式，在差異化的任務中還會有大小臂配合或級聯等通用的運行模式。利用數字化手段輔助狀態管控，不僅可以協助設計優化工作的開展，而且能直接輔助進行任務前狀態設置、任務中狀態跟蹤確認、任務後狀態恢復，避免龐大複雜的系統出現錯漏。
c.在軌物資狀態管理
為保障航天員長期駐站開展試驗工作，空間站在軌存貯物資包括生活消耗品、設備備件、生保貯備、應急物品、垃圾廢棄物等。這些物資的存放、使用、調整（包括使用後形成垃圾）等可以視為一類特殊的技術狀態管控，也可使用數字化管控方法及工具。
利用模型化方法，可以對物品有效期、存放地點、存貯狀態、種類和數量增加、分類變化等進行統一規劃和管控。在軌工作過程中，航天員通過掃碼和人工記錄等方式實現天地同步信息更新。物資之間及物資和應用之間都可以關聯，如垃圾數量與剩餘包裝袋的關係、應急物品與對應應急模式的綁定等。隨着天上工作的進行，天地能同步掌握當前的物資狀態；一旦進入特定任務，可以快速定位並取用所需物資；任務過程中也可以隨時評估物資消耗情況，預示後續進程的需求；任務完成後對剩餘物資及消耗品廢棄物等進行處置並記錄狀態。
綜上，借助數字化模型和工具，空間站能夠橫向實現跨部門、跨專業、跨地域的快速協同，縱向實現從需求分析、方案設計、産品製造、集成總裝、倣真和試驗直至在軌飛行全過程數據連通，在型號研製全周期內建立總體技術狀態數據化、結構化和標準化的閉環管理。
▲神舟十四號任務期間天宮空間站不同構型（圖源：Vony7@微博）
（2）研製過程質量管控
質量管控的內容非常豐富，本文只討論質量控制相關信息的處理和應用。
1）過程信息實時收集
産品質量的管理貫穿研製全過程。在執行過程中，記錄並收集質量相關信息，如零部件的加工工藝參數、檢測數據；裝配和測試過程中量化參數，如螺釘擰緊力矩、涂膠量和溫度；試驗情況如環境條件、試驗工況等信息，是産品質量過程控制的重要依據。採用數字化方法，各種不同類型的記錄信息如數據、影像等可以統一處理、融合使用；數字化加工及裝配設備與數字化方法配套後，可實現原始數據自動採集記錄，減少人為差錯和干預。
實時獲取並分析數據，能夠有效避免問題被帶到下一個流程環節，及時止損並得到快速響應。在實現方法上，現代工業企業的批産流水線已經有了成熟的採集技術；而數據一旦實現數字化可處理之後，採集處理系統就有了很強的適應性，可以服務於航天器研製，並符合這類單件小批産品的個性化特徵。
2）質量問題的回溯
針對研製過程中出現的質量問題，如果是從記錄數據本身發現偏離狀態基線，立刻可以通過對模型的反饋和關聯關係進行實時判讀和影響域快速分析，並且各相關方都可以及時處理應對。
試驗驗證中發現問題也很常見。此時伴隨研製流程的質量數據就是問題溯源的依據。借助數字化表達的關聯關係並利用相應工具，可以迅速回溯問題産品的全流程數據及相關因素，包括設計參數、生産數據、測試試驗履歷以及有相互影響的産品；對産品本身可以一直追溯到設計狀態，根據其影響域不漏項地尋找相關要素。
3）數字化質量檔案
數字化質量信息的全周期記錄可以綁定每件産品，為其建立個性化的質量檔案。該檔案包含對應産品從設計到使用的所有質量信息，可以一直沿用到在軌運行，直至任務或壽命結束。
質量檔案與産品是一一對應的，而數字化的表達方式又使得所有檔案數據可以前後、交叉綜合分析，如同批次産品的特性分析、同型産品同類試驗的條件比對、相關産品的性能匹配等。分析結果反饋到設計要求和加工生産工藝等前端環節，也能為問題産品的故障定位提供參考和數據支撐。
▲歐空局數字化解決方案（圖源：Estec Digital）
（3）研製計劃管理與實施
數字化模型是開放的，可以嵌入不同形式（數據、圖像、視頻）和不同類型（技術狀態、加工工藝、研製周期、經費、人員投入）的信息，通過數字化工具對模型中融合的信息進行分析處理。
以下兩個典型場景中，計劃管理可以通過數字化受益：
1）計劃信息的實時獲取
數字化過程數據採集加信息網絡，可以使管理部門隨時了解研製工作各部分的實際進展情況，同時獲取各類保障資源（如加工設備、試驗設施等）的使用情況。如有必要，進行相應調整。通過信息共享，還可以了解到協作研製部門的進展，提前預警進度不匹配的風險，及早協調。
2）計劃偏離的即時獲知
不論是設計反復、生産拖期還是驗證或測試出現質量問題，研製過程中所有影響研製進度的異常情況都可以立刻反饋到計劃管理部門，相關的經費、加工工時等信息也會伴隨傳遞，管理部門則可據此制定相應對策。調整後的流程及影響也可以通過數字化倣真評估其效果和代價，並在正式確定前開展迭代優化。數字化讓計劃管理和調整更加精準。
4 數字化對研製體系的完善優化作用
航天器研製和運行全周期以模型及其關聯數據為核心，採取數字化表達的方式開展技術和管理工作，可以在研製質量、效率和效益上獲得可觀收益。特別是空間站這樣規模龐大、內外關聯關係複雜的系統，不借助數字化手段和工具，很難實現全面、高效的研製管控。數字化的應用對於研製體系而言是一種“工具”，這種工具的效應已經從量變抵達質變，可以直接優化研製流程和組織模式了。
從前面的討論可以看出，數字化的作用和效果都是圍繞解決複雜大系統的全面性和關聯性問題。全面性體現在數字化模型可以包含系統的所有組成部分以及研製涉及所有相關環節，可融入處理的數據類型、數據格式非常齊全，能夠涵蓋技術、質量、計劃等相關的各類數據信息。關聯性是指建立並且維護各要素間的相關性，包括不同産品、專業、部門、業務等各個維度的相關性，模型得以一統研製全流程並實現各個環節的協同。換言之，數字化模型實際上是建立了系統的數字映像，並包含了全面且顯性表達的關聯關係。
（1）V流程的優化——大V變小V，迭代環節提前
數字映像的建立，使得V字研製流程有了優化的可能。
傳統V字是基於物理空間的研製過程，正向的系統設計、逐級分解設計、製造過程結束後才有了實物産品，才能進行逐級集成和驗證，也才能實現V字中間水平方向的反饋。集成驗證對實物産品的依賴導致反饋周期很長，而且設計越早、驗證越晚——各部分都得等到系統級集成完成後才能得到驗證，流程也只有走完整個大V才得以閉環。
數字化系統鏡像讓各階段更容易實現“小迭代”，提前將驗證情況反饋到設計端。更本質地看，模型的建立與不斷完善是與設計研製過程同步進行的，流程中的每一步都有當前階段的模型，每一步都可以通過數字映像集成倣真，驗證當前的設計或製造狀態。隨着設計研製的分解細化，每一層級可以獲得相應顆粒度的倣真驗證。
在時間維度上，閉環驗證的提前不僅讓設計師不必等待物理産品出來之後的大閉環，而且增加了多次驗證機會，降低了研製問題代入下一環節的風險。
（2）研製體系的扁平化——分解層級減少
研製部門的組織形式、專業和業務分工、逐級分解的研製層次及流程，都是為了直接或輔助解決系統的關聯性問題。
傳統研製體系及其面對的系統各部分之間的關聯關係是由文字表述、靠文檔傳遞的。文本很難清楚全面地表達關聯關係，也沒有實時查閱或顯示的方法，而且僅僅存在於少數人的腦子裏，根本沒有全局性地呈現關聯關係。另一方面，關聯關係的管理和維護靠人工實現，因而只能處理有限的關係，甚至在特殊情況下捨棄相當一部分關係。
為保障完整的系統研製，足夠多的研製層級和細化的分工在大多數情況下是必須的。由此帶來的效率代價和信息損失風險，實際上是整個研製體系對複雜系統處理能力的真實反映。
當我們獲得了全面表達顯性關聯關係的系統數字映像和數字化處理工具，上述形勢發生了變化：
1）關聯關係全局可見，同源傳遞和全局共享保證了信息不失真。研製體系任一層級均可以獲知全局關係，並且可以借助工具全面跟蹤、維護。如此，“層級”不再是限於處理能力而必需的分級，工作分解更多地體現在專業分工和工作量的分解上，其概念實際上被弱化了
2）分工可以比以往“大”很多，不必過於細碎。借助數字化工具，一個部門或一個研製環節能協同處理的事情可以比以往多很多，也可以跨專業，而且不易錯、漏。最重要的是，這個“大分工”裏的眾多事項可以做到協調推進，局部出現問題也可協同應對。
綜合以上兩點，研製體系完全可以做到扁平化，減少層級，減少“分堆”。SpaceX曾在其內部講義中闡述過其扁平化實踐：將系統任務分解到部門，只做一次分解即梳理出全系統的關鍵設計參數，之後所有調整、優化工作都圍繞這些參數進行，系統的性能要求直接與頂層需求吻合。這説明SpaceX的研製層級其實只有一層，在頂層需求分解之後，所有的設計工作都以這個層級的關鍵參數為中心開展，其目的是“讓所有部門專注於系統思考”。該講義也專門表達了技術工具的作用：利用21世紀的先進信息系統工具替代傳統的討論、集成、系統管控等方法，用類似社交網絡的工具將各設計部門連接在同一個層次中。
▲SpaceX的需求分解及設計層級扁平化（圖源：SpaceX）
扁平化不是生硬地減少研製層級，而是讓傳統上各分研部門的“專業設計與驗證”達到系統設計驗證的效果，全系統的研製迭代被分解為等效的若干子系統研製，而子系統將嵌入數字化系統開展研製和驗證，直接檢驗其對系統級關鍵參數的作用。（本章所討論的“子系統”是系統經一次分解後的分工基本單位，不同於傳統分系統之下的子系統。）
在這樣的扁平體系中，子系統試驗與傳統分系統試驗的區別在於：各子系統直接面對統一的一套系統參數，而傳統分系統面對的是總體分別分解給他們的設計需求。研製層級越多，兩者差異越明顯。例如發動機試驗，按傳統分解至少在推進分系統、管路與發動機子系統兩級之下，發動機單機面對的是分解傳遞了三次的設計要求。一方面，某些設計裕度可能層層加碼，而各級並不知道自己這層的加碼對系統的貢獻；另一方面，某些“看起來”不直接相關的要素可能就漏了，比如某種系統級故障模式對應的工作條件可能由於這種遺漏未傳遞到發動機研製部門。在複雜系統中，越到底層越看不清、甚至看不見這種離得比較遠的相關因素。
這樣的扁平分解也避免了傳統多級分解造成的“短視”——各層級只盯着自己的目標幹，自下向上集成後的結果可能已經離最高需求所要求的目標相去甚遠了。而且，由於層級組織涉及行政部門，本身經常是很“堅硬”的，最後即使發現了問題，想改根本改不動，因為大迭代大調整的成本太高了。
（3）系統試驗的普及——系統條件下的子系統試驗
在研製全過程中，綜合驗證的重要性毋容置疑。但綜合系統試驗的成本又很高，而且如前所述要等到流程末期、産品集成到一定程度後才能實現。
扁平化分解後，子系統試驗即包含了系統驗證的條件和邊界，實際上是通過若干相對低成本“系統條件下的子系統試驗”取代高成本的全系統試驗。當然，全系統試驗也是必不可少的，但由於已經有了若干子系統的系統驗證，全系統試驗出現問題的風險極小，而且可以根據之前的驗證情況合理裁剪全系統狀態下的試驗項目，目的更加明確，更聚焦於子系統無法進行的接口、軟硬體匹配等項目。
從試驗的真實性和覆蓋性角度看，真正的全系統工作環境只有實飛才能實現，而子系統試驗反而有可能營造局部的真實物理條件。例如空間站進行機械臂轉位驗證時，在氣浮&&模擬機械臂微重力環境，通過動力學倣真將艙段響應反饋給控制器，構成了控制器跑真程序且機械臂整臂真實運動的測試系統。扁平分解使得各子系統試驗能夠以“拼接”方式有效覆蓋系統試驗。
▲系統工程中傳統研製與數字化研製的關係（圖源：SemanticScholar）
5 幾個值得探討的問題
（1）為什麼是數字化？
在信息化基礎上將信息格式統一為可處理的數字化形式，使得信息共享、融合成為可能，這就是數字化。
系統在數字空間形成映射，多樣化構成的系統要素在此完成統一。錢老定義“系統工程是一門組織管理的技術”，有如下基本原則：目的性、整體性（系統性）、關聯性（協調性）、綜合性（交叉性）、滿意性（最優化）。通過本文的討論可以看出，數字化正適合解決上述原則相關的問題。
（2）數字化的作用
本文重點討論數字化的系統性作用以及對系統工程過程的影響。
1）完整性的量變到質變。系統的各個方面能夠以較為完整的要素和相關性有形地&&起來。借助模型，系統各部分間的耦合關係有了可見、可處理的數字化映射。
2）時間與空間上的快捷性。不同專業間實現同步聯合；流程反饋可以在任意階段進行，大循環變小循環；隨着流程前後延伸，更多的過程被納入到受控的統一體系中。
3）數值與物理的融合。物理空間的驗證不是萬能的，物理規律的掌握才是萬能的。軌道、動力學在數字化空間中可以足夠真實地反映。
4）對系統的處理能力增強。將對系統物理關係的處理轉化為數值處理，全面性、扁平化等都得以實現。數字化也更易於獲得各種高效的處理工具。
（3）數字化與物理實體産品的關係
現階段，研製過程中的實物産品（包括樣機、試驗件等）仍是不可替代的。數字化模型具備本文前述的眾多優點，但同時存在以下幾方面的問題；
1）模型的顆粒度有限。數字化建模的顆粒度並不是越小越好。過於精細的模型可能包含了大量“平庸”特性，使得模型過於龐大而有效信息佔比小，反而會干擾求解精度，掩蓋關鍵或需要關注的特性，也造成了運算和存貯資源的浪費。因此，模型不論規模大小，都應合理簡化。關鍵特性選擇準確且恰當配置的模型，才是好的模型。
2）模型包含的物理公式不能包打天下。一些物理化學效應如疲勞、腐蝕等，缺乏能準確表達的解析或數值算法。這些領域的專業倣真分析還無法替代實物驗證，無法嵌入系統模型。解決此類問題，應以實物試驗結合專業倣真，再將結果反饋至設計端。
3）模型的參數與實際産品總有差異。即便通過多種途徑包括專門設計的試驗對模型參數做修正，結果也只是不同程度的近似表達。模型的優勢更多地體現在對規律和趨勢的體現上。利用這一特點，可以人為調整參數進行敏感度分析，對影響要素做評估，據此提出設計優化的方向。
4）模型只能替代研製和鑒定試驗。模型的作用是驗證“這種狀態”是好的，而驗收試驗可以驗證“這件産品”是好的，因而是不可替代的。
5）模型無法真實表達“缺陷”。缺陷具有隨機性，利用數字模型模擬往往只能得到定性規律，但模型非常適用於輔助辨識“缺陷”。將實物試驗與倣真預示對比，分析二者的偏差可辨識各種類型的“缺陷”，如材料損傷、裝配誤差、機構間隙、部件故障等。
上述特點並非都是缺點，數字化模型與物理産品其實並無絕對的優劣和必然的替代關係。模型構造得好，與實物産品配合使用得好，會起到相輔相成、事半功倍的效果。也正因此，地面的數字空間站和實物構成的電性空間站相互配合，基本覆蓋了在軌的工作環境、産品狀態和工作模式，成為保障空間站在軌穩定運行的有效配置。在另一些應用場景如航天員訓練中，即便是有虛擬現實等新技術的輔助，實物模型/模擬器仍然是必不可少的。
▲天宮空間站組合體模擬器（圖源：中國航天員科研訓練中心）
（4）人在數字化中的作用
數字化的實現及作用的發揮取決於人的水平。
在技術上，設計師、管理者們的專業素養和人工介入環節是不可少的。數字模型相關關係的建立和維護，需要有專業判斷，更需要有系統觀念；模型的修正和維護、尤其是通過物理試驗對模型進行參數標定和修正，包括物理試驗的工況設計、狀態設置等，都需要專業知識。
同時，對需求的理解到位，設計才能到位。需求分析轉化為技術要求並傳遞，實際上是一個技術翻譯的過程，需要做到“信達雅”：
信——分析正確，理解完整，分解完整，需求信息全；
達——由需求轉化為技術要求，並做指標分解，隱性的需求全部要轉化為顯性要求，且須表達為任務接收方能夠明白的指標體系。這是一個抽象到具象，應用需求到專業指標的過程。
雅——符合規範、格式要求，形成結構化、條目化表達，人和計算機都能一目了然。
在認識上，研製團隊須有共同的目標和追求，各自主動向一致的方向努力，協調問題，解決問題。協調問題，要有技術把握，識別真實的矛盾交點；解決途徑的分析和取捨則要有大局觀；解決問題需要專業能力，更需要主動作為和創新精神。
數字化工具再先進，仍然掌握在人的手中，按照人的期望和需要去發展，替代人、協助人做人分配給它的工作。有了工具，人則轉而對自身提出更高要求，去思考和實現更深刻、更有意義的事情，去推動技術和文明的進步。
（5）未來發展
數字化可以與大數據分析技術相結合。對於空間站這個量級的數字化模型，其數據量並非真正意義上的大數據，“大數據”是指該領域的相關技術。一個有意義的應用場景是對系統內的相關關係進行辨識，如果能分辨出因果關係更好。當前階段，模型隨着設計進展正向同步建立，並完善相關關係。這些相關性是設計師腦中知曉的，但是當系統足夠龐大複雜後，一些間接的關聯關係和因果關係並非設計預期，設計師也難以正向識別。系統模型的倣真運行可以利用大數據分析技術，根據模型狀態及其對應的外部特性逆向辨識系統內部的相關性，甚至辨識出因果關係。比如某些故障發生時出現電源掉電現象，會有大量遙測數據顯示異常。這裡面的大部分異常情況是由電源掉電引發的，但也可能正是其中的某個異常導致掉電。如果關聯性和因果關係不明，面臨大量這種失效數據時就無法定位故障源，自然也無法正確應對。通過大數據分析的日常積累，結合特定的故障現象，有望在紛亂之中一擊中的。
以數字映像作為標準狀態，將系統的在軌運行狀態及特性數據（遙測）與之對比，用於系統健康診斷。診斷的制定依據來自研製歷程中的既有故障，以及數字化模型人為故障設置情況下的系統響應。尤其是後一種方法，可以全面、反復模擬各類故障，並充分分析模型所能反映的特性參數，識別與故障相關的特徵。基於健康診斷方法和判據，還可以進一步應用此方法預測當前狀態的健康趨勢。
引入人在回路技術，技術專家輔助/融入倣真分析回路。在短期內還無法有效將人的思維嵌入模型公式的情況下，以人工輔助分析和人在回路判讀等方法，充分發揮專業人員在知識儲備、邏輯思維、綜合考慮、理性判斷方面的能力，讓數字空間的系統鏡像與人的思維空間進一步融合，向智能化模型邁進一步。
人工智能應用。數字化的一大優勢在於與人工智能技術應用有着天然接口。人工智能在空間站後續艙段研製及運行管理中可應用於兩個方面：一是融入現有的數字化系統，在不同的應用場景可逐步、分別引入相對成熟的人工智能專項算法。例如，目前人工智能的一個重要分支是機器學習，它研究計算機通過數據學習提高性能的方法，已開始用於醫療診斷領域。這個方向與飛行器的健康診斷是有相似性的，其應用有待研究。二是空間站本身通過人工智能技術實現升級。例如以計算機視覺、自然語言處理和語音識別等技術升級智能家居系統，並嵌入儀表、穿戴式智能設備等協助航天員在軌工作；以智能機器人技術改進現有的機械臂，配置智能機器人，在艙外作業等風險場景逐步以機器人作業、人機協同等方式進一步提升安全性和工作效率。這些升級，自然也伴隨着地面數字化系統的智能化更新。
▲數字化與新興技術的融合
30多年前，錢老將誕生於上世紀50年代的“虛擬現實”概念翻譯為“靈境”。
虛實交互，靈動之境。今天，包括虛擬現實在內的數字化方法與工具，已經充分應用於他所開創的中國航天事業，優化了他所建構的系統工程體系及運行模式。
