摘 要：基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法是通過標準系統(tǒng)建模語言構(gòu)建產(chǎn)品的需求模型、功能模型、架構(gòu)模型，實現(xiàn)需求、功能到物理架構(gòu)的分解和分配，通過模型執(zhí)行實現(xiàn)對需求和邏輯的“確認”和“驗證”。在設計的早期階段，發(fā)現(xiàn)需求的缺失和偏差并及時修正，有效降低產(chǎn)品研制成本，縮短研制周期。本文通過實例介紹基于Rhapsody的功能邏輯建模的方法和過程，以期為相關設計人員開展產(chǎn)品的功能邏輯分析提供參考和指導。

關鍵詞：MBSE；Rhapsody；功能邏輯模型；需求

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0036-04

The Application of Function-Logic Modeling Based On Rhapsody

for The Evaporation Circulating Cooling System

SUN Yubo1 WU Zemin2

（1. Naval Aviation Military Agent's Room in Luoyang District，Luoyang Henan 471000；2. Avic Xinxiang Aviation Industry （Group） Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Abstract： MBSE method builds the requirement model， functional model and architectural model of product through standard system language. Then implements the system requirements and function to the decomposition and distribution of physical architecture， and realizes the validation and verification of requirements and logic by model executing. Engineer can find the loss and deviation of requirements in the early stages of development， then correct them in time so that can effectively reduce the development costs and shorten the development cycle. This paper introduced the method and process of function-logic modeling that based on Rhapsody through practical example， hoped to provide reference and guidance for related designer when they should build the function-logic analysis of product.

Keywords： MBSE；Rhapsody；function-logical model； requirement

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的建模過程是以需求為核心，模型為驅(qū)動，通過一種通用的圖形化建模語言（SysML語言）來描述、分析、設計和驗證系統(tǒng)產(chǎn)品[1]。在這一過程中，每階段都可通過一個特定類型的模型來支持，如需求模型、可執(zhí)行的功能模型和架構(gòu)分析模型等。通過模型的執(zhí)行和測試，驗證系統(tǒng)的行為，發(fā)現(xiàn)潛在的或被忽略的需求，實現(xiàn)對系統(tǒng)需求的迭代和驗證。

通過建立系統(tǒng)模型幫助需求工程師分析特定層次上的需求，以便其與客戶之間的溝通交流，提高對所開發(fā)系統(tǒng)的相互理解，并通過導出下層需求，確定如何滿足本層的需求；使用繪畫方式，將存在于研發(fā)人員腦海中的一些思想、開發(fā)過程中的一些方面進行可視化、形象化表達，并提供標準的語法為團隊內(nèi)部理解系統(tǒng)提供媒介，避免產(chǎn)生歧義。模型是系統(tǒng)的一個抽象，這種抽象有意地聚焦于系統(tǒng)的某些方面而排除其他方面，避免使人分心，忽略那些雖然很重要但與該模型無關的細節(jié)，使模型能夠被用于收集、處理、組織和分析較少的相關信息，應用各種特殊的技術進行相關研究。此外，模型以電子的形式存儲在計算機中，便于溝通和信息的傳遞交流。

1 功能邏輯建模

1.1 對功能邏輯建模必要性的認識

目前，物理建模已經(jīng)廣泛應用于產(chǎn)品的研發(fā)過程中，通過CATIA、ANSYS等仿真工具的物理建?；顒诱宫F(xiàn)產(chǎn)品的實現(xiàn)原理和算法。但是，物理建模強調(diào)具體，側(cè)重對經(jīng)驗的演繹，難以有效地將復雜的系統(tǒng)問題進行簡化處理，當問題的復雜度增加時，解決方案的復雜度隨之成倍增加。而功能邏輯建模則強調(diào)抽象，側(cè)重歸納。在功能邏輯建模活動中，采用SysML語言將系統(tǒng)行為抽象為用例、操作、狀態(tài)等模型元素，以類/塊、狀態(tài)嵌套、活動調(diào)用等方式表示歸納，區(qū)分特殊與一般，將復雜的系統(tǒng)問題分層考慮，從而降低解決方案的局部復雜度。此外，功能邏輯建模過程的抽象層次更高，模型復用的范圍更廣，建模經(jīng)驗可以在不同類別的機電類產(chǎn)品之間，乃至航電、飛控類產(chǎn)品之間復用，有利于經(jīng)驗的積累與推廣。因此，在產(chǎn)品研發(fā)過程中開展功能邏輯建?；顒右詰獙θ找嬖鲩L的系統(tǒng)復雜度是極為有必要的。

1.2 基于Rhapsody的功能邏輯建模

基于Rhapsody的功能邏輯建模是借助IBM Rational Rhapsody建模軟件，采用SysML語言，以方框作為基本結(jié)構(gòu)元素，方框之間的溝通基于消息（服務請求），實現(xiàn)對系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的描述[2]。其關鍵目標是要識別/導出所需的系統(tǒng)功能，識別出一系列相關的系統(tǒng)狀態(tài)和模式，并將系統(tǒng)功能分配到系統(tǒng)架構(gòu)，同時考慮一些非功能性需求。

對系統(tǒng)進行功能邏輯分析，其核心是將功能性需求轉(zhuǎn)換成一個系統(tǒng)功能的連續(xù)性操作，即通過構(gòu)建系統(tǒng)的功能邏輯模型和模型的執(zhí)行在產(chǎn)品研制早期對系統(tǒng)的需求進行驗證與確認，進而不斷發(fā)現(xiàn)需求偏差與需求缺失，完善補充系統(tǒng)功能，確保系統(tǒng)的成功實現(xiàn)。

1.3 功能邏輯建模流程

通過功能邏輯建模對系統(tǒng)需求進行梳理、分析和驗證，其過程包括識別關鍵問題、背景分析、定義狀態(tài)和模式、定義系統(tǒng)頂層功能、分解頂層功能到子功能、定義功能邏輯流程圖及進行模型的執(zhí)行和迭代，最終得出各流程步驟的輸出模型。基于Rhapsody的功能邏輯建模流程步驟如圖1所示。

2 實例應用

該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是安裝在某型機上的，對駕駛艙和客艙進行制冷和通風。

2.1 識別系統(tǒng)關鍵功能

①制冷功能。根據(jù)接收到的制冷指令，對駕駛艙和客艙進行制冷。

②通風功能。根據(jù)接收到的通風指令，對駕駛艙和客艙進行通風。

③控制功能。按照接收到的機電綜合管理系統(tǒng)的指令工作，記錄、存儲工作參數(shù)，判斷故障并傳輸，依據(jù)故障自動停機等。

④保護功能。超壓保護，自動監(jiān)測各種短路、斷路和超壓故障并輸送相應故障代碼。

2.2 背景分析

經(jīng)分析，該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)要實現(xiàn)制冷、通風、控制及自檢等功能，首先，需要上電，包括接通直流電和交流電；其次，通過接收飛行員的指令執(zhí)行相應動作，并反饋系統(tǒng)當前的運行情況及采集的溫度信息。通過系統(tǒng)的背景分析，初步確定系統(tǒng)與外部的接口，即系統(tǒng)應具備信息交互接口、配電接口、溫度監(jiān)測接口和空氣流通接口，另外還應有維護接口。

2.3 定義狀態(tài)和模式

建模之初應考慮系統(tǒng)或產(chǎn)品所處的狀態(tài)。對于一個系統(tǒng)或產(chǎn)品而言，狀態(tài)是系統(tǒng)固有的，同一層級的狀態(tài)之間互斥，不同層級的狀態(tài)之間可以嵌套；而模式是為保證功能的實現(xiàn)設計出來的，主要是定義某種模式應處于系統(tǒng)的哪種狀態(tài)下。

經(jīng)分析，該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)有關閉狀態(tài)、待機狀態(tài)和運行狀態(tài)，也會出現(xiàn)故障狀態(tài)。為實現(xiàn)對駕駛艙和客艙的制冷和通風，定義系統(tǒng)的制冷模式（全艙制冷子模式和前艙制冷子模式）和通風模式。

該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的狀態(tài)和模式遷移圖如圖2所示。

2.4 定義系統(tǒng)頂層功能并分解到子功能

通過關鍵功能識別，定義該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的頂層功能為制冷功能、通風功能、控制功能和保護功能?？紤]到功能的實現(xiàn)及對系統(tǒng)的保護，系統(tǒng)還應具備自檢功能等。因此，對頂層功能進行分析與分解，分解出系統(tǒng)的底層功能，分別有初始化功能、全艙制冷功能、前艙制冷功能、通風功能、上電自檢功能和周期巡檢功能。

2.5 底層功能邏輯分析

功能邏輯分析主要是指系統(tǒng)為完成某特定功能所要執(zhí)行的一系列活動和操作，是對系統(tǒng)功能的描述，側(cè)重功能而非實現(xiàn)。在此，本文只針對前艙制冷功能的邏輯進行分析，根據(jù)設定溫度和各采集溫度的關系，在前艙制冷功能下，可分為“制冷待機”“前艙制冷”“前艙除霜”和“制冷暫停”四種模式。

該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)前艙制冷功能邏輯建模主活動圖如圖3所示。

2.5.1 制冷待機。當[T1

2.5.2 前艙制冷。當[T1≥T0+2°C]、[T2≥1°C]時，冷凝風機、壓縮機運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進入前艙制冷模式，制冷電控盒應反饋“前艙制冷”信號。如圖5所示。

2.5.3 前艙除霜。系統(tǒng)在前艙制冷模式運行過程中，當[T1≥T0+2°C]、[T2<1°C]時，進入前艙除霜模式，此時，冷凝風機、壓縮機停止運行。制冷電控盒應反饋“前艙除霜”信號。除霜過程中對各溫度進行采集，當[T1≥T0+2°C]、[T2≥3°C]時，退出前艙除霜模式，進入前艙制冷模式。如圖6所示。

2.5.4 制冷暫停。在前艙制冷模式運行過程中，當[T1≤T0-2°C]、[T2≥1°C]時，進入制冷暫停模式，此時，冷凝風機、壓縮機停止運行。制冷電控盒應反饋“制冷暫?！毙盘枴Ｖ评溥^程中，對各溫度進行采集，當[T1≥T0+2°C]、[T2≥1°C]時，退出制冷暫停模式，進入前艙制冷模式。如圖7所示。

2.6 模型執(zhí)行與迭代

可執(zhí)行的模型（狀態(tài)圖）以圖形化的方式直觀地展示系統(tǒng)的運行過程，包括系統(tǒng)所處的狀態(tài)、狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換、伴隨轉(zhuǎn)換的動作及對異常做出的響應等。通過模型的執(zhí)行，驗證系統(tǒng)是否符合預期構(gòu)想，進而在產(chǎn)品研制早期及時發(fā)現(xiàn)需求的偏差與缺失，完善系統(tǒng)功能。

模型的執(zhí)行可以通過模擬操縱面板進行狀態(tài)的切換，以前艙除霜為例，模擬操縱面板如圖8所示，執(zhí)行前艙制冷如圖9所示。

3 結(jié)語

本文介紹了基于Rhapsody的功能邏輯建模過程，并將其應用到某蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)中進行需求的分析和迭代驗證，通過識別系統(tǒng)的關鍵功能、定義系統(tǒng)的狀態(tài)和模式、定義頂層功能并分解到子功能、各功能的邏輯分析及模型的執(zhí)行與迭代，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)需求中存在的偏差和缺失，并及時進行補充和修改。在早期實現(xiàn)對系統(tǒng)需求的驗證與確認，確保系統(tǒng)的成功實現(xiàn)。

參考文獻：

[1]國際系統(tǒng)工程協(xié)會（INCOSE）.基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法論綜述[M].張新國，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]Lenny Delligatti.SysML精粹[M].侯伯薇，朱艷蘭，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014.