張賀　魏強　陳余軍　林驍雄

摘 要：本文首先論述了功能架構(gòu)的必要性，然后對功能架構(gòu)的建模和分析過程進行了總結(jié)。通過對MBSE 方法論、功能建模語言和功能建模工具的分析，確定了衛(wèi)星各級系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計流程，探討了基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)實現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：功能架構(gòu) 基于模型的系統(tǒng)工程 流程設(shè)計 衛(wèi)星系統(tǒng)

中圖分類號：N945 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0015-05

Abstract：In this paper， the necessity of functional architecture is discussed，and the process of modeling and analysis is summarized. After the review of the related MBSE （Model-Based Systems Engineering） methodology， the functional modeling language and tools， the functional architecture design process of satellite systems is determined， and the realization approach of model-based functional architecture of satellite systems is discussed.

Key Words： Functional architecture； MBSE； Process design； Satellite system

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是適應(yīng)航天器未來研制發(fā)展的有效解決方案。MBSE是系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一個重要方向，它通過形式化的建模手段，從概念設(shè)計階段開始就能夠支持系統(tǒng)需求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，并持續(xù)貫穿整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段[1]。MBSE作為一種新的范式，NASA、美國國防部、歐空局等組織和相關(guān)承包商積極在項目中探索和應(yīng)用[2]，國內(nèi)MBSE的應(yīng)用也在研究和探索階段[3-4]，利用系統(tǒng)工程的思維方式，建立基于模型的系統(tǒng)正向設(shè)計流程與設(shè)計方法是未來航空航天領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

MBSE遵循系統(tǒng)工程V模型，貫穿產(chǎn)品的全生命周期，狹義的MBSE側(cè)重于產(chǎn)品的前端系統(tǒng)設(shè)計階段，分析用戶需求、分解系統(tǒng)功能、定義系統(tǒng)架構(gòu)直到實現(xiàn)系統(tǒng)物理設(shè)計。在這一過程中，利用圖形化、結(jié)構(gòu)化的方式將系統(tǒng)需求、功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)等描述為需求模型、功能架構(gòu)模型、邏輯架構(gòu)模型等。其中，功能架構(gòu)模型是連接頂層需求、約束和后續(xù)詳細系統(tǒng)開發(fā)和實施的橋梁，有助于理清系統(tǒng)間的關(guān)系、完善復(fù)雜系統(tǒng)的需求，還可以通過前期功能模型的仿真，驗證需求的滿足性和可追溯性。

功能架構(gòu)描述的是系統(tǒng)詳細的功能、接口和時序特征，覆蓋系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級和單機各層級的功能實現(xiàn)、性能分析、內(nèi)在關(guān)聯(lián)與接口分析，是完成既定任務(wù)目標(biāo)所需要的全部功能集合，對應(yīng)于系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、產(chǎn)品級，甚至更小單元的功能、性能和相互間的邏輯關(guān)系，對系統(tǒng)的理解和交流具有重要意義，為保證功能和接口的準(zhǔn)確，功能架構(gòu)隨著系統(tǒng)需求的演進而被進一步定義[5]。

1 主流的MBSE方法論及其功能架構(gòu)建模過程

1.1 OOSEM

面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法（Object-Oriented Systems Engineering Method，OOSEM）是一種自頂向下、場景驅(qū)動建模過程的方法，并通過一系列的視圖來保證系統(tǒng)描述的一致性，用于支撐系統(tǒng)的分析、定義、設(shè)計和驗證[6]。OOSEM功能架構(gòu)通過分析系統(tǒng)的用例、確定系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)、詳細系統(tǒng)的任務(wù)場景、確定系統(tǒng)內(nèi)部功能活動之間的關(guān)系、分析系統(tǒng)內(nèi)部功能活動之間的時序關(guān)系以及系統(tǒng)狀態(tài)切換等一系列活動確定。

國際系統(tǒng)工程學(xué)會（International Council on Systems Engineering，INCOSE）在2011年開始的CubeSat項目中利用OOSEM方法論開發(fā)了一般CubeSat的功能架構(gòu)模型，并建造了一個集建模工具、分析/仿真工具以及模型庫一體的模型環(huán)境，使得功能架構(gòu)模型可執(zhí)行，以達到描述系統(tǒng)動態(tài)行為、分析和優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的[7-9]。

1.2 Harmony-SE

Harmony-SE是IBM公司一種大型的集成系統(tǒng)和軟件開發(fā)流程Harmony的一個子集，在MBSE的需求分析、系統(tǒng)功能分析以及設(shè)計綜合三個階段迭代循環(huán)。Harmony-SE功能分析通過功能分解輸出用例模型、系統(tǒng)與外界交互的邏輯和接口規(guī)范，同時將分析得到的功能與需求進行匹配，確保每一項需求都有功能與之對應(yīng)追溯，并對需求進行更新和補充。

Harmony-SE方法論結(jié)合IBM Rhapsody工具在系統(tǒng)設(shè)計以及嵌入式開發(fā)上有很大優(yōu)勢，因此我國航空航天展開其對控制系統(tǒng)的實踐和應(yīng)用，如在飛控系統(tǒng)設(shè)計中，通過方法論設(shè)計驗證控制邏輯，最后通過Rhapsody實現(xiàn)軟件代碼自動生成，提高軟件系統(tǒng)的可靠性，并提升了開發(fā)效率。

1.3 SYSMOD

SYSMOD（Systems Modeling Process）是構(gòu)建需求、功能和物理架構(gòu)很實用的方法，包括描述項目環(huán)境、總結(jié)需求、系統(tǒng)環(huán)境建模、系統(tǒng)用例及過程建模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及狀態(tài)建模和總結(jié)領(lǐng)域知識等。SYSMOD方法從產(chǎn)品、方法和角色三個特征展開復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計，其中方法包括分析流程和架構(gòu)流程[10]。

SYSMOD的功能分析活動是基于FAS（Functional Architecture for Systems）方法來進行。FAS從用例入手，通過使用啟發(fā)式方法對功能分組，生成功能架構(gòu)，但FAS的局限在于它更適用在較高的系統(tǒng)層級上，在低層級系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能可能有復(fù)雜的交互，系統(tǒng)行為難以把握。

1.4 MagicGrid

MagicGrid方法源于No Magic公司在軟件工程和系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用實踐，基于矩陣式的結(jié)構(gòu)流程，將功能架構(gòu)建模過程從行為和參數(shù)兩個角度分為問題域和解決域兩個層次進行，其中問題域功能架構(gòu)模型在需求模型的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)功能分解得到；解決域功能架構(gòu)模型則是在邏輯架構(gòu)模型基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)功能分配得到。

2 支持功能架構(gòu)建模的語言及相關(guān)建模工具

2.1 FFBDs

功能流圖（Functional Flow Block Diagrams，F(xiàn)FBDs）提供了一種直觀的圖形方法來表示復(fù)雜層次系統(tǒng)的行為，F(xiàn)FBD由標(biāo)記的功能塊組成，如圖1所示，功能塊由定義功能執(zhí)行順序的單向箭頭連接，F(xiàn)FBDs本質(zhì)上是一個表示控制流的功能架構(gòu)，描述了功能、功能的執(zhí)行順序以及可選的執(zhí)行路徑。支持FFBDs工具有RDD-100和CORE等[11]。FFBDs可以在圖的層次結(jié)構(gòu)中分層，沿著層次結(jié)構(gòu)向下時，這些圖提供了對單個系統(tǒng)行為更詳細的描述，使系統(tǒng)和每個功能更容易理解。但FFBDs不能捕獲系統(tǒng)功能之間的數(shù)據(jù)流，而系統(tǒng)功能的完整描述應(yīng)同時需要數(shù)據(jù)流和控制流的信息，因此一些系統(tǒng)工程師在FFBDs基礎(chǔ)上直接用箭頭和注釋來表示數(shù)據(jù)流，進而逐漸演化為EFFBDs（Enhanced FFBDs）[12]。

FFBDs是功能建模的一種傳統(tǒng)手段，在航天領(lǐng)域很流行，如在NASA J-2X液體推力器上的應(yīng)用[13]。J-2X計劃使用新的材料和制造技術(shù)將阿波羅時代的J-2發(fā)動機升級到更高的功率級別，工程師們對發(fā)動機進行了功能分析，建立了功能架構(gòu)，定義了一個與系統(tǒng)模型逼真度一致的功能引擎示意圖，最后得到J-2X分解到組件并映射到所有功能需求的FFBDs。

2.2 SysML

SysML是INCOSE和OMG（Object Management Group，對象管理組織）為支持MBSE方法而推出的一種標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)建模語言[14]，如圖2所示。SysML是一種圖形化的語言，通過維護九種視圖的一致性實現(xiàn)對各種復(fù)雜系統(tǒng)的詳細說明、分析、設(shè)計、驗證和確認。

SysML建立的功能架構(gòu)模型可分為結(jié)構(gòu)模型、需求模型、行為模型和參數(shù)模型，如圖3所示，其中結(jié)構(gòu)模型通過包圖（package diagram，pkg）、模塊定義圖（block definition diagram，bdd）和內(nèi)部模塊圖（internal block diagram，ibd）反映系統(tǒng)功能的層級關(guān)系；需求模型通過需求圖（requirement diagram，req）描述功能與需求的追溯關(guān)系；行為模型通過活動圖（activity diagram，act）、序列圖（sequence diagram，sd）、狀態(tài)機圖（state machine diagram，stm）和用例圖（use case diagram，uc）突出功能之間的數(shù)據(jù)流和控制流信息以及功能接口；參數(shù)模型通過參數(shù)圖（parametric diagram，par）體現(xiàn)功能參數(shù)及其約束關(guān)系。

基于SysML開發(fā)了多種支持MBSE方法的軟件，如EA、Rhapsody、CSM等，都支持建模、仿真、文檔生成、程序開發(fā)、測試和管理，就目前在航空航天應(yīng)用而言，Rhapsody多用在航空領(lǐng)域[15]，CSM多用于航天領(lǐng)域。

2.3 OPM

復(fù)雜系統(tǒng)功能架構(gòu)的描述包含著巨量的信息，其信息量遠遠超過了人的理解能力。目前主要有兩種辦法展示這些信息：一種是維護一個集成的模型，并根據(jù)需要對其進行投射；另一種是在模型中維護多個視圖。前者如對象過程方法（Object Process Methodology，OPM），采用集成模型把形式、功能、實體和關(guān)系有關(guān)的信息全都融入同一個模型中，通過實體的不斷分解來建立復(fù)雜系統(tǒng)的層次模型并管理系統(tǒng)復(fù)雜性；后者即如SysML語言，采用不同的視圖描述系統(tǒng)的不同視角，建立復(fù)雜系統(tǒng)在各個視圖的模型，并保證這些信息的一致，綜合涌現(xiàn)描述[16]。

OPM主要的建模元素是實體和連接關(guān)系，實體包括狀態(tài)、對象和過程的總稱，如圖4所示，其中對象描述系統(tǒng)中以物理或信息形式存在的事物，并具有過程可改變的狀態(tài)；過程描述系統(tǒng)動態(tài)層面，能夠產(chǎn)生、消耗對象并通過改變狀態(tài)影響對象；狀態(tài)描述系統(tǒng)靜態(tài)層面，是對象在特定時間點可能處于的情形，是隸屬于對象的實體。連接包含結(jié)構(gòu)性連接和過程性連接：結(jié)構(gòu)性連接表示對象之間或過程之間靜態(tài)的持續(xù)關(guān)系；過程性連接表示對象和過程之間的關(guān)系，描述系統(tǒng)的動態(tài)行為。對象過程實例工具（OPCAT）[17]是支持使用OPM進行系統(tǒng)開發(fā)的軟件環(huán)境。

3 衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

衛(wèi)星總體設(shè)計涉及任務(wù)軌道設(shè)計、工作模式與飛行程序設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計以及姿軌控、供配電、推進等分系統(tǒng)設(shè)計，其設(shè)計要素不僅涉及多專業(yè)、多領(lǐng)域，又相互耦合關(guān)聯(lián)。因此，需要根據(jù)項目需求在不同的設(shè)計階段使用不同的方法、語言、工具進行建模和分析，對不同系統(tǒng)的功能架構(gòu)模型進行綜合，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速方案驗證。

3.1 衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計流程

衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計是一個分解與綜合的迭代過程，以任務(wù)目標(biāo)為輸入，對整個任務(wù)過程的飛行事件進行梳理，將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為功能活動，進行任務(wù)級功能架構(gòu)設(shè)計，進而識別出衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計要求和性能指標(biāo)，具體設(shè)計流程如圖5所示。低層級系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計是高層級系統(tǒng)功能架構(gòu)的詳細化過程，通過架構(gòu)綜合和功能仿真，驗證高層級系統(tǒng)功能架構(gòu)的接口、功能關(guān)系、性能指標(biāo)，確保其功能性能滿足需求。

3.2 基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計

基于衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計流程，以及根據(jù)對功能架構(gòu)建模方法、語言、工具的分析，探索了基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計方案（如圖6所示）。設(shè)計方案以SysML視圖建立的功能架構(gòu)為主體，融合各分系統(tǒng)的FFBDs模型、OPM模型以及仿真模型，通過SysML模型維護數(shù)據(jù)的一致性，實現(xiàn)功能到需求的閉環(huán)驗證，最終形成分析報告，明確可實現(xiàn)性和基本的實現(xiàn)途徑，形成覆蓋所有層級和場景的功能體系結(jié)構(gòu)。

4 啟示與建議

基于模型的衛(wèi)星設(shè)計模式是未來航天器研制模型轉(zhuǎn)型的必然趨勢，需要借助研制需求來牽引MBSE在衛(wèi)星研制中應(yīng)用實施發(fā)展。未來航天器產(chǎn)品將面臨市場需求越來越旺盛、功能越來越復(fù)雜、性能要求越來越高等挑戰(zhàn)，需要采取基于模型的正向設(shè)計手段，在系統(tǒng)設(shè)計的早期階段，通過模型的建立能夠清晰明確地表達系統(tǒng)的功能，理清系統(tǒng)間的關(guān)系，完善復(fù)雜系統(tǒng)的需求，并通過系統(tǒng)層級的遞進，實現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計?，F(xiàn)階段的衛(wèi)星研制過程對功能架構(gòu)重視程度不高、需求追溯性不完善，建議加強對功能架構(gòu)的研究。研究方向可以從以下幾個方面開展：

（1）原有基于文檔的接口傳遞方式已經(jīng)不能滿足信息量增長等要求，亟需完善MBSE在衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計上的方法論，并確定功能架構(gòu)建模的一系列工具。為了避免異構(gòu)模型集成中出現(xiàn)的種種問題，最好選用一種兼容XML數(shù)據(jù)交換（XMI）規(guī)范的建模工具。

（2）充分利用新型航天器研制契機，完善衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計流程。首先基于保真度較低的模型驗證功能架構(gòu)或者系統(tǒng)架構(gòu)各模塊的輸入輸出、需求的可追溯性；隨著設(shè)計的深入迭代，這些低保真度的模型可以被更加詳細的模型替代，而無需更改已驗證過的功能架構(gòu)以及追溯關(guān)系。同時建立各層級系統(tǒng)的功能模型庫，提高模型的重用性，實現(xiàn)新產(chǎn)品的快速方案設(shè)計。

（3）針對全新的衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計，有必要將功能架構(gòu)和設(shè)計結(jié)構(gòu)矩陣（Design Structure Metrics，DSM）結(jié)合，明確約束目標(biāo)，對系統(tǒng)功能架構(gòu)進行優(yōu)化。

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