中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 白 潔 呂 偉 張 磊 鄧廣宗

機(jī)載電子系統(tǒng)關(guān)系到飛機(jī)的安全性、可靠性、先進(jìn)性和成本, 是飛機(jī)上最重要的子系統(tǒng)之一。機(jī)載電子系統(tǒng)涉及網(wǎng)絡(luò)、電子、控制等多個(gè)領(lǐng)域，具有高度復(fù)雜性、綜合性等特點(diǎn)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，文檔是數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、生產(chǎn)各階段傳遞的核心，各個(gè)構(gòu)型項(xiàng)獨(dú)立設(shè)計(jì)，再進(jìn)行集成驗(yàn)證，這種設(shè)計(jì)方法存在以下問(wèn)題：一是缺少對(duì)系統(tǒng)層架構(gòu)的仿真和驗(yàn)證，導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷無(wú)法通過(guò)后期更改來(lái)彌補(bǔ)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)迭代次數(shù)多；二是文檔規(guī)模大、版本多，技術(shù)狀態(tài)不容易控制；三是缺少多物理場(chǎng)的耦合仿真分析，仿真驗(yàn)證在各領(lǐng)域獨(dú)立進(jìn)行，且只是在產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行，很少在需求分析及初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行系統(tǒng)功能及行為仿真；四是軟硬件在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，只考慮了其本身參數(shù)的優(yōu)化，而電子、軟件、控制等參數(shù)間的相互影響關(guān)系很難在后期優(yōu)化設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。因此目前傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)方法已無(wú)法滿足市場(chǎng)需要。

基于模型的系統(tǒng)工程體系結(jié)構(gòu)

1 基本概念

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）的基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程，系統(tǒng)工程是實(shí)現(xiàn)成功系統(tǒng)的一個(gè)跨學(xué)科方法，其思想體現(xiàn)了自頂向下的分解和自底向上的綜合，系統(tǒng)工程“V形”圖見(jiàn)圖1。系統(tǒng)工程師完成系統(tǒng)的分解和系統(tǒng)集成，通過(guò)用戶需求分析、系統(tǒng)功能分析、設(shè)計(jì)方案權(quán)衡和仿真驗(yàn)證，形成系統(tǒng)初步方案。同時(shí)將系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)或部件，形成部件級(jí)或子系統(tǒng)級(jí)需求，并將這些需求作為下一層次的開(kāi)發(fā)任務(wù)分配到不同的研制單位，各單位根據(jù)不同專業(yè)特點(diǎn)對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的研究和設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)V型圖

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法只適用于系統(tǒng)組成部分可分解的結(jié)構(gòu)性復(fù)雜項(xiàng)目，對(duì)于機(jī)載電子系統(tǒng)項(xiàng)目，現(xiàn)今均采用了大量的軟件和復(fù)雜的硬件平臺(tái)，同時(shí)系統(tǒng)綜合方式、配套關(guān)系等發(fā)生了重大變化，使傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法已無(wú)法解決；其次，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程關(guān)注各物理域內(nèi)部影響及優(yōu)化，因而無(wú)法關(guān)注產(chǎn)品內(nèi)部子部件/系統(tǒng)之間的關(guān)系及相互作用 。研發(fā)人員必須尋找適應(yīng)目前及未來(lái)機(jī)載電子系統(tǒng)發(fā)展的新途徑和新方法[1-2]。

基于以上情況，基于模型的系統(tǒng)工程應(yīng)運(yùn)而生。MBSE主要根據(jù)系統(tǒng)工程從需求到系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件以及實(shí)現(xiàn)之間的分解關(guān)系，通過(guò)定義型號(hào)研制各個(gè)階段（如用戶需求、系統(tǒng)要求和結(jié)構(gòu)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、部件設(shè)計(jì)、部件制造等）的模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制過(guò)程和信息基于模型的管理，并在此基礎(chǔ)上建立了基于模型的系統(tǒng)工程機(jī)制[2]，其信息邏輯模型如圖2所示。

2 基本結(jié)構(gòu)

目前世界不同組織及行業(yè)針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品形成了多種MBSE方法論或最佳實(shí)踐，其中IBM TELELOGIC的Harmony-SE在航空航天領(lǐng)域最為著名。Harmony-SE是大型綜合系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)流程的子集。Harmony-SE和Harmony的開(kāi)發(fā)起源于I-Logix公司，前身是嵌入式市場(chǎng)中建模工具的主要提供者，所以更適合機(jī)載電子系統(tǒng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，而基于IBM Harmony系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)流程的Rhapsody工具，是目前業(yè)界應(yīng)用較廣的MBSE平臺(tái)。其用戶包括EADS旗下的空客和軍機(jī)部門以及MBDA[3-4]。

Harmony 流程在某種程度上反映出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)典“V形”生命周期開(kāi)發(fā)模型，此流程假定模型和需求被保持在集中的模型/需求庫(kù)中。如圖3所示，Harmony系統(tǒng)工程組件在總體設(shè)計(jì)方面具有以下目標(biāo)：（1）需求分析：識(shí)別所要求的系統(tǒng)功能。（2） 系統(tǒng)功能分析：識(shí)別相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)。（3） 架構(gòu)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)功能分配到物理架構(gòu)。

在部件分析和設(shè)計(jì)過(guò)程中，存在不同的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，其“模型”具有不同的含義。對(duì)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員，MBSE指的是通過(guò)CAD軟件建立的三維模型；對(duì)于仿真控制設(shè)計(jì)人員，其MBSE指的是通過(guò)Amsim或Matlab等工具構(gòu)建的被控對(duì)象模型。

Harmony-SE將“服務(wù)驅(qū)動(dòng)”的建模方法和系統(tǒng)建模語(yǔ)言（SysMLTM）相結(jié)合，使用方框作為基本結(jié)構(gòu)元素，并通過(guò)SysML結(jié)構(gòu)圖描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，Harmony-SE流程元素圖提供了詳細(xì)的任務(wù)流和工作產(chǎn)物。

圖2 MBSE信息模型

實(shí)現(xiàn)與實(shí)例

基于模型的系統(tǒng)工程需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)方法在機(jī)載電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了初步應(yīng)用，現(xiàn)以某發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字式電子控制系統(tǒng)為例，描述MBSE方法的應(yīng)用場(chǎng)景。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于飛機(jī)應(yīng)急動(dòng)力控制，其主要功能為當(dāng)飛機(jī)主動(dòng)力發(fā)生故障時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)控制應(yīng)急動(dòng)力，并帶動(dòng)輔助發(fā)電機(jī)工作，滿足全機(jī)應(yīng)急條件下的電功率、液壓功率。本實(shí)例重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。

1 需求分析

需求分析的主要工作是對(duì)用戶要求進(jìn)行捕獲以形成系統(tǒng)頂層需求并建立系統(tǒng)用例模型，需求捕獲不只是在短時(shí)間內(nèi)要了解用戶的需求，更應(yīng)該站在用戶的角度了解其潛在需求。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)必須建立用例模型幫助用戶梳理需求，確定系統(tǒng)邊界和環(huán)境，避免需求被開(kāi)發(fā)人員誤解。需求分析的流程如圖5所示。

對(duì)某動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析并對(duì)用例進(jìn)行建模，該數(shù)字電子控制系統(tǒng)為3個(gè)用例模型，分別為控制、通信、故障檢測(cè)。

2 功能分析

圖3 Harmony-SE系統(tǒng)綜合開(kāi)發(fā)流程圖

圖4 Harmony-SE流程元素圖

功能分析的目的是形成能描述系統(tǒng)功能及其互相之間關(guān)系的一系列模型元素，主要包括活動(dòng)圖、順序圖和狀態(tài)機(jī)。3者之間的順序可以根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際情況靈活選擇，但是無(wú)論路徑為何，狀態(tài)機(jī)都是描述系統(tǒng)最根本的形式。圖6所示為功能分析結(jié)果。

3 設(shè)計(jì)綜合

設(shè)計(jì)綜合主要是依據(jù)產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行分析，并將功能分解、定義并分配到相關(guān)的部件及組件，在此過(guò)程中還需完成產(chǎn)品功能向部件、軟/硬件組件功能的分配；完成產(chǎn)品性能指標(biāo)向部件及組件的分配，包括產(chǎn)品可靠性、維修性、測(cè)試性指標(biāo)等[5]。

由于該發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字電子式控制系統(tǒng)主要涉及硬件及軟件，所以主要工作為軟、硬件功能模塊的劃分。按照系統(tǒng)的主要功能，可劃分為信息處理、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)輸出4個(gè)主要模塊（圖7），這些模塊將以類塊的形式存在于模型工程中，并可在其基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)、更新和維護(hù)。

問(wèn)題研究

基于模型的系統(tǒng)工程在飛機(jī)級(jí)系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用，同時(shí)在建模語(yǔ)言與建模方法等方面取得了很大的進(jìn)展，但在機(jī)載電子系統(tǒng)上的應(yīng)用還不是很長(zhǎng)，并存在許多問(wèn)題需深入研究，主要有如下幾個(gè)方面。

1 模型跨階段的管理

由于模型在系統(tǒng)不同研發(fā)階段以及里程碑階段所包含的建模要素之間存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而這些有關(guān)聯(lián)關(guān)系的要素蘊(yùn)含在不同階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)文檔中。所以，必須針對(duì)不同類型的產(chǎn)品建立完整的邏輯信息架構(gòu)，該信息架構(gòu)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程相關(guān)聯(lián)用以體現(xiàn)不同的開(kāi)發(fā)階段，然后將不同階段的模型和信息架構(gòu)中的各個(gè)元素進(jìn)行追蹤，以使其對(duì)不同階段的模型進(jìn)行有效管理。

2 機(jī)載電子產(chǎn)品硬件建模

基于模型的系統(tǒng)工程在需求分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)階段主要關(guān)注系統(tǒng)的邏輯行為，其工作主要是利用系統(tǒng)建模工具進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和需求分解，并對(duì)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，但是，目前機(jī)載電子系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計(jì)是在專業(yè)工具中進(jìn)行（如Mentor Graphics等），如何將硬件架構(gòu)仿真和系統(tǒng)架構(gòu)仿真結(jié)合在一起將是MBSE工作后期的重點(diǎn)之一。

3 動(dòng)態(tài)模型仿真方法

基于模型的系統(tǒng)工程開(kāi)發(fā)方法主要側(cè)重于對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)靜態(tài)行為的功能建模, 對(duì)模型的連續(xù)性動(dòng)態(tài)行為仿真分析的支持不夠。要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)仿真建模和驗(yàn)證,只能借助于其他專業(yè)仿真工具，如Dymola、Simscape、MapleSim、AMESim等。因此, 如何保證系統(tǒng)建模工具和專業(yè)仿真工具間模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一是目前要解決的問(wèn)題之一[2]。

4 模型重用

圖5 需求分析流程及結(jié)果圖

圖6 功能分析流程及部分活動(dòng)圖

圖7 設(shè)計(jì)綜合分析流程及結(jié)果圖

現(xiàn)階段，MBSE系統(tǒng)建模工具由支持UML 建模的工具擴(kuò)展而來(lái), 幾乎所有的圖形（用例圖、順序圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖、塊定義圖）均由人工完成，無(wú)法自動(dòng)生成。事實(shí)上, 需求模型、結(jié)構(gòu)模型、行為模型可重用元素較多。因此如何通過(guò)重用已有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型來(lái)提高系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)效率將是模型驅(qū)動(dòng)復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)下一步值得研究與探索的重要問(wèn)題[6-7]。

結(jié)束語(yǔ)

基于模型的系統(tǒng)工程是復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)的重要?jiǎng)?chuàng)新，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的成功起著至關(guān)重要的作用。本文從MBSE的概念、結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷史入手，基于某型動(dòng)力電子控制系統(tǒng)，使用Harmony-SE流程舉例分析MBSE在當(dāng)前機(jī)載電子產(chǎn)品的應(yīng)用，同時(shí)探討了MBSE在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方面存在的問(wèn)題。指出未來(lái)復(fù)雜產(chǎn)品的范式增長(zhǎng)將會(huì)為MBSE的進(jìn)一步發(fā)展提供嶄新機(jī)遇與挑戰(zhàn)。有理由相信：MBSE在未來(lái)復(fù)雜工程的發(fā)展中將占據(jù)更為重要的地位。

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