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

Для полного обеспечения автономности космических миссий необходимо уметь обнаруживать неисправности и устранять их без вмешательства человека. Чтобы решить эту задачу и предоставить модельно-ориентированную поддержку для проектирования и эксплуатации систем, важно связать управление отказами (FM) с модельно-ориентированной инженерией систем (MBSE). Такой подход был успешно продемонстрирован на ранних этапах проектирования миссии NASA HelioSwarm с помощью модельно-ориентированной генерации анализа видов и последствий отказов (FMEA) и деревьев отказов (FTA).

По мере того как NASA расширяет границы освоения космоса в рамках программы Artemis и предстоящих глубоководных научных миссий, повышенная автономность и отказоустойчивость систем становятся ключевыми технологическими потребностями. Автономная эксплуатация требует наличия программного обеспечения для управления отказами (FM), способного обнаруживать возникающие в космосе проблемы для их автоматического устранения без участия человека. Проектирование автономных миссий предполагает междисциплинарный подход, объединяющий FM с модельно-ориентированным инжинирингом систем (MBSE), используемым при проектировании миссий, для обеспечения того, чтобы отказоустойчивые системы были архитектурно спроектированы, смоделированы и интегрированы на этапе проектирования.

Для решения этой задачи NASA заключило контракт Phase II Small Business Innovation Research (SBIR) с компанией Qualtech Systems Inc. (QSI) на разработку функциональных возможностей FM и усовершенствование ее коммерчески доступного инструментария TEAMS®, созданного в результате коммерциализации более ранних работ компании, спонсированных NASA в рамках SBIR, для поддержки миссии HelioSwarm и других гелиофизических миссий NASA.

Подход QSI

Одной из важнейших задач в рамках этой работы было интегрирование управления состоянием системы (SHM) и FM в процесс инженерии систем (SE). SHM/FM в совокупности представляют собой набор механизмов, которые обеспечивают 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 проектирования, спецификации, верификации и валидации (V&V) систем. NASA часто применяет модельно-ориентированный подход к процессу SE, используя Systems Modeling Language (SysML) в качестве фреймворка.

Несмотря на их тесную связь с SE на практике, методы SHM/FM, как правило, не были тесно интегрированы с SE. Часто SHM/FM включается только после проектирования номинальной системы, что по сути делает SHM/FM «пластырем» 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 базами знаний. Такая ситуация может привести к использованию методологий моделирования и процессов анализа, дающих несогласованные 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 смоделированных физических и функциональных отказов на уровне компонентов. Этот метод также облегчает сравнительный анализ для оценки преимуществ различных архитектур FM на этапе проектирования.

В рамках этой инициативы SBIR QSI работала с SysML v2 Submission Team (SST) — разнородной группой конечных пользователей, поставщиков, ученых и правительственных представителей, участвующих в разработке спецификаций для SysML v2, последней версии SysML. Команда QSI включила концепции FM и стандарты моделирования в SysML v2, а затем продемонстрировала, как модели SysML v2 могут быть преобразованы в модели пространства отказов, генерируемые инструментарием QSI.

Эта возможность позволяет инженерам систем использовать коммерческий набор инструментов моделирования QSI и анализировать аспекты FM проектного решения, зафиксированные в SysML v2. Фиксируя 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. Более того, инструментарий рекомендует улучшения дизайна (например, оптимальное размещение датчиков на борту космического аппарата) на основе результатов такого анализа и предоставляет эти рекомендации в отраслевых стандартных форматах, которые могут быть легко поняты и включены в дизайн.

В ходе этой работы по SBIR инструментарий QSI также был доработан для взаимодействия с фреймворком MBSE и облегчения создания, оценки и выбора концепций FM для проектирования миссий. Инструментарий теперь позволяет тестировать концепции FM на ранних стадиях процесса проектирования, чтобы адекватное обнаружение и диагностика могли быть встроены в проект системы, что потенциально снижает общую стоимость разработки, способствует улучшению коммуникации и координации между членами команды миссии и уменьшает риски разработки (по стоимости и срокам).

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 аппарата и восьми совместно орбитальных малых спутников для проведения первых одновременных, многомасштабных измерений флуктуаций магнитного поля и потоков протонов в динамичной околоземной космической среде. Поскольку плазменная турбулентность переносит энергию через множество масштабов, от движений на уровне жидкости до кинетической динамики частиц, ее нельзя полностью понять на основе одной точки измерения или измерений только на одном масштабе. Космические аппараты HelioSwarm будут летать с расстояниями 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 происходят около 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 диссипацией, энергия передается в тепло частиц. Без турбулентных каскадов в космической плазме большая часть Вселенной была бы намного холоднее, чем наблюдается. Из-за фундаментальной термодинамической роли, которую она играет в жидкостях, включая космическую плазму, многие считают, что турбулентные жидкости являются самой важной нерешенной проблемой в классической физике.

Команда QSI создала модель дизайна HelioSwarm подсистем и требований к миссии верхнего уровня на SysML v2, фиксируя нисходящее движение от целей миссии к дизайну. Затем команда использовала свой доработанный инструментарий для преобразования модели HelioSwarm SysML v2 в модель FM. Модели HelioSwarm включают ключевые подсистемы центрального космического аппарата и восьми узловых спутников, включая подсистемы управления командами и данными; электропитания; управления ориентацией; двигательной установки, тепловой системы и датчиков полезной нагрузки, а также наземной и космической связи. Используя инструментарий QSI, разработчики миссий затем генерировали FMEA и FTA, которые были преобразованы в стандартизированный отчет SysML. Кроме того, эти анализы FM генерировали рекомендации (например, по размещению датчиков), которые предоставлялись в виде предлагаемых обновлений к дизайну системы. Этот процесс будет поддерживать проектирование малых роевых космических аппаратов с присущей им избыточностью для улучшения научных наблюдений и других целей NASA, таких как обеспечение поддержки миссий для операций на лунной поверхности.

Актуальность для будущих миссий NASA и применений вне NASA

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 бортовыми системами на проекте NASA Gateway и сохраняет применимость для будущих пилотируемых космических аппаратов. Инженеры-проектировщики систем могли бы использовать эту технологию для интеграции стратегий смягчения последствий отказов для улучшения дизайна с дополнительным пониманием общей отказоустойчивости системы — прямо с самого начала этапа проектирования.

Эта технология также может найти 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, гражданским авиационным и морским системам, транспорту, а также к оборудованию для производства и распределения электроэнергии.