中國(guó)商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院 喬文峰 李正強(qiáng) 黃 帥 姚志超

在當(dāng)今全球化競(jìng)爭(zhēng)背景下，飛機(jī)研制面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。大型商用飛機(jī)在研制過(guò)程全球化、更多優(yōu)秀供應(yīng)商參與的背景下，為了滿足用戶的需求，需要在更短的周期開發(fā)出效益更高、性能更優(yōu)越、功能更齊全的民機(jī)，許多方面表現(xiàn)出了在其他項(xiàng)目中見不到的復(fù)雜性。大型民機(jī)項(xiàng)目不僅需要技術(shù)創(chuàng)新，攻克眾多的技術(shù)難關(guān)，更需要運(yùn)用高效的集成研發(fā)技術(shù)手段，排除過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)。

商用飛機(jī)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，表現(xiàn)在項(xiàng)目規(guī)模龐大，涉及的子系統(tǒng)眾多，應(yīng)用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)龐雜，強(qiáng)制性的必須滿足適航當(dāng)局的規(guī)章和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了全機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)營(yíng)[1]，專業(yè)領(lǐng)域則涉及材料、環(huán)境、軟硬件開發(fā)和研制條件技術(shù)保障。針對(duì)不同等級(jí)層次的需求和對(duì)象，集成的目標(biāo)對(duì)象也是不同的，包括產(chǎn)品集成、系統(tǒng)間集成等。圖1描述了不同等級(jí)和層次集成的關(guān)系。

系統(tǒng)工程是用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、技術(shù)管理、運(yùn)行使用和退役的專業(yè)學(xué)科方法論。系統(tǒng)工程中，集成是指系統(tǒng)/設(shè)備中的各元件能夠協(xié)同運(yùn)作并使若干分離功能集成到單個(gè)實(shí)施過(guò)程中的行為。從集成的定義可以得出，集成就是把系統(tǒng)各類要素有機(jī)結(jié)合形成一個(gè)整體，使系統(tǒng)具備大于各要素功能之和的整體新功能的過(guò)程，集成本身就是系統(tǒng)工程最重要的方法。傳統(tǒng)應(yīng)用集成技術(shù)已經(jīng)逐漸不能適應(yīng)信息化的需要，由于其自身的局限性和互操作性問(wèn)題，難以適應(yīng)開發(fā)復(fù)雜大系統(tǒng)下的應(yīng)用集成的發(fā)展需求[2]。為了有效克服傳統(tǒng)技術(shù)的種種弊端，提出了基于模型驅(qū)動(dòng)思想的集成方案。

系統(tǒng)復(fù)雜性和運(yùn)營(yíng)安全性是民用飛機(jī)的兩大基本特征，決定了民用飛機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)與制造的技術(shù)難度，要求項(xiàng)目從全生命周期考慮包括管理和技術(shù)的系統(tǒng)工程方法。隨著產(chǎn)品全生命周期概念的形成和內(nèi)涵的不斷豐富，以及產(chǎn)品全生命周期開發(fā)模型（如Royce瀑布模型、Boehm螺旋模型和Moog V字形模型）在復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)項(xiàng)目中的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代系統(tǒng)工程理論和方法得到快速發(fā)展，在工業(yè)界形成系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)，得到了多國(guó)政府主管部門的認(rèn)可[2]。如美國(guó)聯(lián)邦航空管理局于2011年9月發(fā)布咨詢通告AC20-174，認(rèn)可SAE ARP4754A為大型飛機(jī)系統(tǒng)開發(fā)保障過(guò)程的一個(gè)可接受方法。目前，我國(guó)在民用飛機(jī)系統(tǒng)集成方面尚未形成成熟和健全的系統(tǒng)工程思想，更缺少能提供高質(zhì)量民用飛機(jī)系統(tǒng)需求的捕獲方法和工具。為了適應(yīng)和滿足民機(jī)研發(fā)過(guò)程的復(fù)雜性和民機(jī)設(shè)計(jì)安全性要求的特點(diǎn)，基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)集成構(gòu)架設(shè)計(jì)，是應(yīng)對(duì)民用飛機(jī)復(fù)雜性設(shè)計(jì)集成的有效手段。

本文在研究基于模型的飛機(jī)集成研發(fā)方法發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，結(jié)合民機(jī)開發(fā)集成的主流設(shè)計(jì)方法與新技術(shù)，研究了基于模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)技術(shù)。深入分析基于模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工程的相關(guān)基礎(chǔ)理論和實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)集成研發(fā)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)于逐步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)集成研發(fā)過(guò)程的完整性和系統(tǒng)性具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外研究狀況

基于文件的系統(tǒng)工程自20世紀(jì)40年代提出以來(lái)，對(duì)民用飛機(jī)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)作出了重要貢獻(xiàn)，有力支持了產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。然而，隨著民用飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性的不斷增加，尤其是異地分布式設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，基于文件的系統(tǒng)工程已越來(lái)越無(wú)法滿足要求，模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)（Model-Driven Systems Design, MDSD） ，或稱基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）正逐步成為民用飛機(jī)產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，它從需求階段開始即通過(guò)模型(而非文檔)的不斷演化、迭代遞增而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)模型的形式化定義可以清晰地刻畫產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期結(jié)構(gòu)、功能與行為等各方面的需求；基于模型可以盡早通過(guò)模擬分析發(fā)現(xiàn)大量不合理的設(shè)計(jì)方案；同時(shí)模型還為各方提供了一個(gè)公共通用的、無(wú)二義性的設(shè)計(jì)信息交流工具，這一點(diǎn)對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品異地分布的系統(tǒng)設(shè)計(jì)尤其重要[3-4]。

圖1 商用飛機(jī)分層次的系統(tǒng)集成關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)集成研發(fā)設(shè)計(jì)的研究尚處于探索階段，很多研究機(jī)構(gòu)也都在開展相關(guān)和類似的研究工作。但是，相當(dāng)一部分工作并不是基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)集成研發(fā)設(shè)計(jì)（或類似系統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)），只是與基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)集成研發(fā)設(shè)計(jì)相似或存在一定的關(guān)聯(lián)。而且，這些研究工作大都集中于航空航天、武器系統(tǒng)等國(guó)防軍工領(lǐng)域范圍，由于技術(shù)封鎖等原因，無(wú)法獲取詳細(xì)技術(shù)資料，只能從一些報(bào)道中簡(jiǎn)單了解。

MBSE的實(shí)現(xiàn)取決于具有良好定義和工具支持并且能夠滿足系統(tǒng)工程層次設(shè)計(jì)建模需要的圖形化建模語(yǔ)言，因此，系統(tǒng)工程層次圖形化建模語(yǔ)言就是MBSE發(fā)展的重要標(biāo)志。到目前為止，系統(tǒng)工程層次圖形化建模語(yǔ)言的發(fā)展經(jīng)歷了以STATEMATE、UML為代表的兩個(gè)階段，目前開始步入以SysML為代表的第三個(gè)階段。

美國(guó)國(guó)家航空航天局NASA從1998年開始研究一個(gè)稱為智能化綜合工程設(shè)計(jì)環(huán)境（Intelligent Synthesis Environment，ISE）的集成開發(fā)平臺(tái)。它通過(guò)把近年來(lái)產(chǎn)生的諸如高性能計(jì)算機(jī)、人工智能、基于知識(shí)的設(shè)計(jì)與工程技術(shù)（Knowledge-Based Design and Knowledge-Based Engineering）、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management, PDM）等新技術(shù)結(jié)合起來(lái)，得到一個(gè)跨地域的虛擬協(xié)同環(huán)境，在此平臺(tái)上可進(jìn)行航天產(chǎn)品的綜合設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和樣機(jī)制造，實(shí)現(xiàn)不同地域、不同學(xué)科的設(shè)計(jì)人員在同一平臺(tái)下進(jìn)行產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)、仿真及制造[5]。NASA先進(jìn)工程環(huán)境（Advanced Engineering Environment，AEE）是NASA開發(fā)的另一個(gè)分布式集成開發(fā)環(huán)境，主要用于支持可重復(fù)使用運(yùn)載器的分析與設(shè)計(jì)。該環(huán)境以PDM軟件為核心，通過(guò)Model Center軟件集成各種分析計(jì)算工具，實(shí)現(xiàn)可重復(fù)運(yùn)載器的系統(tǒng)級(jí)分析、設(shè)計(jì)、仿真、可視化及學(xué)科優(yōu)化等。該環(huán)境允許NASA下屬的6個(gè)分布式部門之間進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)[6-7]。

國(guó)內(nèi)相關(guān)院所在應(yīng)用模型的系統(tǒng)工程方面也進(jìn)行了探索。中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所在分析未來(lái)航空電子系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，以及新一代航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了用UML語(yǔ)言的用況圖、結(jié)構(gòu)圖、順序圖、狀態(tài)圖以及活動(dòng)圖等描述航空電子系統(tǒng)的方法并給出了具體系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程。同時(shí)為了配合該方法，基于商用貨架產(chǎn)品（Commercial off-the-shelf,COTS）技術(shù)提出并建立了一個(gè)面向未來(lái)航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與軟件開發(fā)的快速原型框架，圖2列出了該環(huán)境所用工具集及其承擔(dān)的任務(wù)。其中，VAPS用于設(shè)計(jì)飛行員飛機(jī)接口（PVI），Rhapsody與STATEMATE用于航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，Open GVS用于實(shí)現(xiàn)快速原型外景仿真，F(xiàn)LSIM用于建?？焖僭头抡嬷械娘w機(jī)，STAGE用于仿真快速原型戰(zhàn)場(chǎng)想定。通過(guò)該環(huán)境，設(shè)計(jì)人員可完成航空電子系統(tǒng)、作戰(zhàn)飛行軟件和座艙顯示系統(tǒng)的快速原型控制，實(shí)現(xiàn)航空電子系統(tǒng)、作戰(zhàn)飛行軟件和座艙顯示控制的一體化設(shè)計(jì)，從而大大縮短開發(fā)周期，提高軟件重用性。

中航工業(yè)無(wú)線電電子研究所針對(duì)未來(lái)航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)和航空電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，在參考螺旋式軟件開發(fā)方法的基礎(chǔ)上提出了基于原型仿真的航空電子系統(tǒng)螺旋式開發(fā)方法，以克服傳統(tǒng)瀑布式開發(fā)方法存在的各種缺陷[7-8]。該方法模型由概念開發(fā)環(huán)、系統(tǒng)原型開發(fā)環(huán)和工程開發(fā)環(huán)3個(gè)工作循環(huán)組成，如圖3所示。這3個(gè)環(huán)中的每個(gè)循環(huán)都開始于需求部分，但每個(gè)環(huán)的需求在層次上是不同的，即初步設(shè)計(jì)的需求是經(jīng)過(guò)概念設(shè)計(jì)環(huán)循環(huán)迭代驗(yàn)證，滿足用戶要求的需求。而詳細(xì)設(shè)計(jì)的需求是經(jīng)過(guò)原型仿真開發(fā)環(huán)循環(huán)迭代、測(cè)試評(píng)估后凍結(jié)的需求[9-10]。在3個(gè)不同的循環(huán)中，分別采用不同的工具完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如在概念開發(fā)環(huán)中，選擇STATEMATE、MATRIXx、Matlab/Simulink、VAPS等進(jìn)行系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)。

STATEMATE推出后，國(guó)內(nèi)很多機(jī)構(gòu)紛紛引進(jìn)STATEMATE并開展相關(guān)研究。中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所研究了基于STATEMATE的航電系統(tǒng)功能和對(duì)象設(shè)計(jì)；中航工業(yè)無(wú)線電電子研究所研究了使用STATEMATE的航空電子系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)；南航開展了“無(wú)人機(jī)飛控系統(tǒng)虛擬原型及物理驗(yàn)證平臺(tái)”的研究，探索飛行控制系統(tǒng)一體化綜合設(shè)計(jì)的具體方法與有效途徑；西北工業(yè)大學(xué)基于STATEMATE平臺(tái)進(jìn)行了無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)（Unmanned Combat Aerial Vehicle，UCAV）任務(wù)管理系統(tǒng)（Mission Management System，MMS）的仿真研究。

基于模型的系統(tǒng)開發(fā)方法

目前，模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)建模方法大多以圖4所示的經(jīng)典系統(tǒng)建模方法V模型為基礎(chǔ)展開[10]。

圖3 航電系統(tǒng)螺旋式開發(fā)模型

基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品通用系統(tǒng)建模方法，將面向?qū)ο蠹夹g(shù)與傳統(tǒng)自頂向下系統(tǒng)建模方法結(jié)合的過(guò)程中，添加了幾種有效的新建模技術(shù)，主要有需求變動(dòng)分析、因果分析、系統(tǒng)/邏輯分解等，從而支持需求變更、系統(tǒng)層的重用和設(shè)計(jì)演化，其建模流程也發(fā)生了一定的變化，如圖5所示[11-12]。提出了系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的定義與設(shè)計(jì)，通過(guò)將系統(tǒng)分解為相互關(guān)聯(lián)的邏輯構(gòu)件以達(dá)到邏輯構(gòu)件整體滿足系統(tǒng)功能的要求。

在模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中，每一個(gè)階段都有一個(gè)模型與開發(fā)活動(dòng)相對(duì)應(yīng)。對(duì)需求捕獲與分析階段的需求輔助模型（Use Case Model）、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)階段的架構(gòu)模型（Architectural Model）和功能模型（Functional Model）、軟/硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段的執(zhí)行模型（Implementation Model），開發(fā)人員可以依據(jù)本階段的開發(fā)任務(wù)，對(duì)上一階段傳遞下來(lái)的模型進(jìn)行擴(kuò)充，同時(shí)進(jìn)行仿真、驗(yàn)證，直到該模型滿足這一階段的開發(fā)要求，然后將模型傳入下一階段，繼續(xù)進(jìn)行下一階段的開發(fā)，如圖6所示[13-14]。

模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法使設(shè)計(jì)復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)的工程師在規(guī)范階段就可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的行為方式、功能要求、控制方式等進(jìn)行可視化的調(diào)試、驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)和糾正規(guī)范文檔中相應(yīng)的模糊、冗長(zhǎng)、錯(cuò)誤的地方，從而避免在產(chǎn)品的物理原形階段或測(cè)試階段才發(fā)現(xiàn)上述問(wèn)題。

圖4 系統(tǒng)工程的V模型

圖5 面向?qū)ο蟮膹?fù)雜系統(tǒng)建模流程圖

圖6 模型驅(qū)動(dòng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)流程

基于模型的民機(jī)系統(tǒng)集成研發(fā)工程實(shí)例

1 民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)研發(fā)流程

民用飛機(jī)飛行控制系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)飛機(jī)在空中的縱向、橫向及航向控制和配平，提供飛機(jī)起飛和著陸時(shí)的升阻控制、空中減速控制以及飛機(jī)接地后或中止起飛時(shí)的控制。典型的民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

2 基于模型的民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)流程

基于模型的設(shè)計(jì)方法很好地適應(yīng)了上述流程圖開發(fā)的需要，能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期和試驗(yàn)驗(yàn)證后期進(jìn)行充分確認(rèn)和驗(yàn)證?；谀Ｐ偷娘w控系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般需經(jīng)過(guò)以下階段：模型需求定義；設(shè)計(jì)飛控系統(tǒng)架構(gòu)、控制律與邏輯；模型自動(dòng)生成代碼；建立飛機(jī)非線性模型等機(jī)載系統(tǒng)模型庫(kù)；系統(tǒng)構(gòu)架仿真與分析；非線性控制律設(shè)計(jì)仿真分析；飛控系統(tǒng)軟硬件實(shí)現(xiàn)與集成測(cè)試；人（飛行員）在回路實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證和飛控系統(tǒng)機(jī)上地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)（圖8）。

2.1 模型需求

基于模型的設(shè)計(jì)流程很重要的一點(diǎn)是根據(jù)設(shè)計(jì)對(duì)象的特點(diǎn)，確定建立什么樣的模型。因此，正確的模型需求的提出至關(guān)重要。模型需求需根據(jù)飛機(jī)級(jí)、系統(tǒng)級(jí)和適航等要求分解出來(lái)，一般從仿真要求、功能要求和性能要求等幾個(gè)方面進(jìn)行定義。

圖7 典型民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)集成研發(fā)流程

圖8 基于模型的民用飛機(jī)飛控系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)流程

仿真要求主要包括模型的接口規(guī)范、開發(fā)軟件及版本、模型運(yùn)行頻率、模型對(duì)硬件運(yùn)行環(huán)境的要求等；功能要求一般包括要模擬的系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)和故障條件下的功能要求；性能要求主要從模型的精度、延遲及模型的初始狀態(tài)等進(jìn)行定義；還要對(duì)模型的接口、測(cè)試及構(gòu)型管理等方面提出要求。

2.2 建模設(shè)計(jì)

（1）對(duì)飛控系統(tǒng)的功能進(jìn)行建模。構(gòu)建飛控系統(tǒng)的整體框架，實(shí)現(xiàn)功能的分解，并定義功能之間的接口關(guān)系。按照系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)的功能要求劃分出若干子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)又可以根據(jù)子功能繼續(xù)向下分解，是可一直分解到底層的行為驅(qū)動(dòng)方式。

飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真所涉及的模型主要有飛機(jī)本體氣動(dòng)、動(dòng)力學(xué)模型，質(zhì)量模型，大氣環(huán)境模型，風(fēng)模型，控制律模型，發(fā)動(dòng)機(jī)模型，傳感器模型，作動(dòng)器模型和航電顯示等模型，按照其表征的功能進(jìn)行建模。

（2）對(duì)飛控系統(tǒng)行為進(jìn)行建模。飛控系統(tǒng)在執(zhí)行過(guò)程設(shè)計(jì)了多模態(tài)飛行控制律的切換邏輯，根據(jù)邏輯指令，相應(yīng)執(zhí)行不同的控制模式。在建模時(shí)，考慮模塊化建模思想，盡可能表征功能結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)到物理機(jī)構(gòu)層級(jí)描述為獨(dú)立的模塊，建立單獨(dú)的模型。根據(jù)所研制飛控系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)，按照物理原理或者采取系統(tǒng)辨識(shí)的方法，結(jié)合多物理領(lǐng)域混合建模的方法確定模型的類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)力圖，準(zhǔn)確描述系統(tǒng)的行為。根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式、計(jì)算機(jī)類型，采用ADAMS、AMESim、GT-Power和Matlab等仿真工具進(jìn)行建模。

（3）模型集成與管理。模型集成主要是建立各個(gè)獨(dú)立模塊之間的通信關(guān)系。由于在一個(gè)系統(tǒng)工程開發(fā)時(shí)，往往是分階段實(shí)施的，也需要根據(jù)各個(gè)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)階段的需要分步驟建立模型，因此，模型會(huì)出現(xiàn)多個(gè)版本，這就需要對(duì)各個(gè)階段的模型進(jìn)行構(gòu)型管理，涉及的內(nèi)容包括模型的版本、模型命名、模型版本描述、模型修改、模型批準(zhǔn)發(fā)放等相關(guān)內(nèi)容，在應(yīng)用基于模型驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠很好地統(tǒng)一管理。

2.3 軟硬件實(shí)現(xiàn)

對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行劃分并建立系統(tǒng)的架構(gòu)模型后，確定是采用硬件還是軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

模塊指定用軟件實(shí)現(xiàn)，可自動(dòng)生成最終飛控軟件代碼，同時(shí)根據(jù)實(shí)際需要建立的功能模型適度擴(kuò)充，便可建立系統(tǒng)的架構(gòu)模型。這樣簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)的繁瑣的手工代碼編寫與調(diào)試工作。產(chǎn)品級(jí)嵌入式代碼生成技術(shù)則能夠節(jié)約70%的時(shí)間，極大地提高了工作效率。任何一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，只需修改模型即可。模型以獨(dú)立模塊形式駐留在庫(kù)模型，后續(xù)若需修改或設(shè)計(jì)模型時(shí)，只需要修改庫(kù)模型，則調(diào)用、使用的所有模型就完成了修改。

2.4 仿真計(jì)算分析

在建立了飛控系統(tǒng)的需求模型、功能模型、架構(gòu)模型后，可以對(duì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證。采用半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真和半物理系統(tǒng)仿真方法進(jìn)行人在回路的仿真試驗(yàn)，進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估，在仿真過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)模型中的漏洞和錯(cuò)誤，最終得到一個(gè)滿足用戶需求的設(shè)計(jì)，避免在開發(fā)后期才發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)描述的錯(cuò)誤而造成巨大損失。

結(jié)束語(yǔ)

模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模已經(jīng)在建模語(yǔ)言與建模方法等方面取得了很大的進(jìn)展。同時(shí)在飛機(jī)系統(tǒng)集成研發(fā)過(guò)程中逐步受到設(shè)計(jì)研發(fā)人員的廣泛關(guān)注，也在部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中悄然開始探索。然而，還存在許多問(wèn)題需深入研究，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）基于模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)在工程實(shí)現(xiàn)中表現(xiàn)出局限性。

設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)需要考慮的一個(gè)重要要素是其多變性，復(fù)雜系統(tǒng)使用環(huán)境、用戶需求、所使用的技術(shù)均可能是復(fù)雜多變的，這就要求能適應(yīng)一定范圍內(nèi)的任務(wù)或需求的修改，具有一定的可擴(kuò)展能力。目前，該方法針對(duì)需求可變性建模的支持應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步深入研究。

（2）模型驅(qū)動(dòng)的集成設(shè)計(jì)建模缺少對(duì)連續(xù)系統(tǒng)尤其是連續(xù)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題設(shè)計(jì)建模的支持。

設(shè)計(jì)者在關(guān)心其功能的同時(shí)，對(duì)其性能同樣也十分關(guān)注，而其性能大多數(shù)情況下是以系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程來(lái)表示的。

因此，如何有效、方便地表示諸如飛機(jī)系統(tǒng)涉及動(dòng)力學(xué)性能方面的問(wèn)題，將是模型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)建模必須考慮的另一個(gè)問(wèn)題。

（3）模型驅(qū)動(dòng)的建模對(duì)模型仿真分析的支持還有待大幅度提高，建模工具的功能很有限。

目前，大多數(shù)建模工具中提供了需求建模、結(jié)構(gòu)建模、行為建模與參數(shù)建模等功能，能較好地完成上述建模過(guò)程的詳細(xì)說(shuō)明、設(shè)計(jì)與功能分析。然而，要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)確認(rèn)與驗(yàn)證，目前還只能由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員基于靜態(tài)的行為模型憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)分析是否滿足要求，甚至要基于物理樣機(jī)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，面向民用飛機(jī)集成研發(fā)工程領(lǐng)域的研究和探索急需深入開展。面向民用飛機(jī)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，如何突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，發(fā)揮數(shù)字模型在飛機(jī)設(shè)計(jì)集成過(guò)程中的優(yōu)勢(shì)，大幅度減少設(shè)計(jì)集成確認(rèn)環(huán)節(jié)，節(jié)省時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，使設(shè)計(jì)人員迅速了解其設(shè)計(jì)方案的變更，是每一個(gè)工程設(shè)計(jì)人員急需得到明確回答的問(wèn)題。同時(shí)，開展模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)工程研究、基于民用飛機(jī)的多學(xué)科一體化設(shè)計(jì)、多物理域和連續(xù)動(dòng)態(tài)行為建模設(shè)計(jì)以及基于功能結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)向物理機(jī)構(gòu)層級(jí)實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)研究，將對(duì)我國(guó)面向復(fù)雜大系統(tǒng)工程研究以及創(chuàng)新大型民用飛機(jī)集成研發(fā)工程實(shí)現(xiàn)，具有重大現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

[1] 劉興堂，梁炳成，劉力，等.復(fù)雜系統(tǒng)建模理論、方法與技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2008.

[2] Cecilia H. Systems engingering handbook a guide for system life cycle processes and activities. International Council on System Engineering， 2011.

[3] Tim W. Systems engineering with SysML/UML：Modeling,Analysis, 2008： 1-320.

[4] Holt J，Perry S. SysML for systems engineering.UK：IET，2007：1-352.

[5] Mourad D，F(xiàn)awzi H，Yosr J.Verification and validation in systems engineering. Assessing uml/sysml design models.2010：1-270.

[6] Banerjee A，Ray S，Dasqupta P. et al.A dynamic assertion-based verification platform for UML statecharts over Rhapsody.IEEE region 10 conference，2008：1-6.

[7] Crane M L，Dingel J. UML vs.classical vs.rhapsody statecharts：Not all models are created equal. Software and Systems Modeling,2007,6(4)：415-435.

[8] IEEE Std 1516-2000,IEEE Standard for Modeling and Simulation(M&S)High Level. Architecture(HLA)—Framework and Rules,USA：IEEE,2000.

[9] 劉興華，曹云峰，沈春林.模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜反應(yīng)式系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2009(14)： 82-87.

[10] 項(xiàng)云偉，王耀南.復(fù)雜工業(yè)過(guò)程的智能控制和智能管理系統(tǒng)集成.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)， 2000(1)： 62-67.

[11] 孟祥慧，蔣祖華.面向復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品分解式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)集成平臺(tái)方法.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2006(3)： 284-287.

[12] Sanford F，Alan M，Rick S. A practical guide to sysML： The systems modeling language. San Francisco：Morgan Kaufmann，2009：1-576.

[13] 劉玉生，蔣玉芹，高曙明.模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模綜述.中國(guó)機(jī)械工程， 2010(10)： 841-749.

[14] 郭晶，袁堅(jiān)，王劍山，等.基于雙耦合驅(qū)動(dòng)模型的時(shí)空混沌流密碼系統(tǒng).清華大學(xué)學(xué)報(bào)， 2009，49(8)： 1180-1173.