朱素華 閆杰
摘 ? 要:隨著民用飛機(jī)系統(tǒng)復(fù)雜性的提升,以及對其安全性、可靠性的要求愈發(fā)嚴(yán)格,現(xiàn)代系統(tǒng)工程正逐漸向基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)轉(zhuǎn)變,建立符合用戶需求的仿真模型可以有效地解決傳統(tǒng)研制方法存在的質(zhì)量低、周期長和花費大等問題。電氣系統(tǒng)作為民用飛機(jī)的關(guān)鍵系統(tǒng)之一,在飛機(jī)正常飛行中發(fā)揮著重要的作用。本文考慮電氣系統(tǒng)的可用性、完整性,采用 DOORS 和 Rhapsody 完成電氣系統(tǒng)設(shè)計的需求分析、功能分析和設(shè)計綜合,建立系統(tǒng)用例模型、功能流程和可驗證狀態(tài)機(jī)模型,構(gòu)建了保證功能可用、安全的系統(tǒng)架構(gòu)。最后,開發(fā)了面板圖交互界面,根據(jù)設(shè)計需求完成了系統(tǒng)模型的仿真驗證。
關(guān)鍵詞:基于模型的系統(tǒng)工程 ?電氣系統(tǒng) ?系統(tǒng)設(shè)計 ?仿真驗證
中圖分類號:V249 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-098X(2019)07(b)-0008-04
現(xiàn)代飛機(jī)向著更安全、環(huán)保和經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展,這使飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計變得越來越復(fù)雜。電氣系統(tǒng)(Electrical System,ES)作為現(xiàn)代飛機(jī)的安全關(guān)鍵系統(tǒng)之一,肩負(fù)飛機(jī)負(fù)載正常工作與飛行的重要任務(wù),對其設(shè)計要求不斷提高。目前飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中,普遍采用傳統(tǒng)的基于文本系統(tǒng)工程設(shè)計方法,以大量文字和圖片形式的文檔來描述設(shè)計思路。這些文檔通常在不同設(shè)計人員、設(shè)計部門、專業(yè)間傳遞,進(jìn)行設(shè)計信息共享與協(xié)同。但是,隨著飛機(jī)系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的提高,基于文本的設(shè)計模式的劣勢也越來越明顯,存在著設(shè)計方案歧義、信息孤島和開發(fā)效率低等諸多問題[1]?;谀P偷南到y(tǒng)工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)能夠避免傳統(tǒng)系統(tǒng)工程設(shè)計的上述弊端,近年來得到了廣泛的重視和研究。
伴隨著多電飛機(jī)概念的提出和發(fā)展,對飛機(jī)電氣系統(tǒng)提出了新的要求。首先要有大容量、高功率密度、高效率的發(fā)電機(jī)、電機(jī)控制器、電源變換器和逆變器等發(fā)電和供電系統(tǒng)。其次是對于配電系統(tǒng),要求能夠自動監(jiān)視、控制、保護(hù),在正常和緊急狀態(tài)下,對負(fù)載進(jìn)行切換和恢復(fù)。
本文針對民用飛機(jī)電氣系統(tǒng),采用Rhapsody設(shè)計軟件,利用MBSE設(shè)計思路,完成電氣系統(tǒng)的仿真建模,模擬系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)和系統(tǒng)設(shè)計不同階段的電氣控制模塊,實現(xiàn)對電氣系統(tǒng)特性、控制功能及邏輯等的仿真和分析。
1 ?MBSE系統(tǒng)設(shè)計流程分析
在MBSE系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)中,模型是設(shè)計過程的核心,并且模型在整個開發(fā)過程中不斷迭代和完善。如圖1系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖所示,MBSE提供了一種有效的方法,將系統(tǒng)抽象為用例,圍繞用例進(jìn)行開發(fā),實施過程分為3個階段:需求分析、功能分析和設(shè)計綜合[2]。本文使用業(yè)界廣泛使用基于仿真建模平臺Rhapsody的SysML語言進(jìn)行系統(tǒng)模型開發(fā)的需求分析、功能分析、設(shè)計綜合和仿真驗證。
需求分析的目的是將用戶需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需求。民用飛機(jī)系統(tǒng)需求主要有功能需求、安全性需求、附加適航需求和衍生需求,其中功能需求主要包括顧客需求、運行需求、性能需求、物理和安裝需求、維修性需求、接口需求等。需求分析階段主要得到電氣系統(tǒng)的需求模型和用例模型,用例模型主要描述外部參與者的行為以及外部參與者和內(nèi)部系統(tǒng)用例之間的關(guān)系。與傳統(tǒng)方法相比,模型化結(jié)構(gòu)可以快速定位需求變化,避免由需求變化引起的“蝴蝶效應(yīng)”。
功能分析階段的輸入是需求分析階段輸出的用例模型,輸出為一個可執(zhí)行的用例模型[3]。從以下幾個維度對用例模型進(jìn)行可執(zhí)行化翻譯:繪制活動圖用于描述系統(tǒng)功能實現(xiàn)流程、導(dǎo)出時序圖描述系統(tǒng)子模塊事件交互順序和創(chuàng)建狀態(tài)圖描述系統(tǒng)用例的動態(tài)行為。功能分析階段明確了頂層功能用例的大致內(nèi)部邏輯以及交互行為,這一階段輸出的可執(zhí)行用例模型被稱為“黑盒”用例模型。
設(shè)計綜合是為整合功能分析階段的模型元素,并設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)。設(shè)計綜合分為2個階段:架構(gòu)分析和架構(gòu)設(shè)計。架構(gòu)分析階段通過一系列的系統(tǒng)權(quán)衡分析,尋求最優(yōu)架構(gòu)設(shè)計方案。架構(gòu)設(shè)計階段的重點是功能分析階段的“黑盒”用例模型逐步細(xì)化,展開為“白盒”模型,最終把用例白盒模型集成到系統(tǒng)架構(gòu)中。
2 ?電氣系統(tǒng)的MBSE設(shè)計
Rhapsody是IBM公司的一款系統(tǒng)建模工具,它具有從系統(tǒng)設(shè)計到軟件設(shè)計無縫連接,自動生成模型代碼,自動按照規(guī)定的格式和要求生成設(shè)計文檔,支持系統(tǒng)需求管理,系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)模型驗證等諸多功能,滿足電氣系統(tǒng)建模的軟件要求。因此在本次建模設(shè)計,選擇Rhapsody作為MBSE仿真設(shè)計平臺,使用SysML語言實現(xiàn)ES整體模型設(shè)計[4],本文接下來將從需求分析、功能分析和設(shè)計綜合三個階段介紹具體ES建模流程。
2.1 需求分析
ES的需求分析,主要包含需求獲取和需求到用例的分配與追溯兩個步驟。
(1)需求獲取。
ES用戶需求來源于設(shè)計師收集整理的ES功能方面要求和指標(biāo),也包含了如安全性和飛機(jī)適航等附加需求。
設(shè)計者依據(jù)電氣系統(tǒng)的知識,分析已整理完善的用戶需求,將其細(xì)化分解,梳理出的民機(jī)電氣系統(tǒng)的應(yīng)該具備的功能、系統(tǒng)和部件,得到層次分明并且結(jié)構(gòu)完整的系統(tǒng)功能需求。然后將用戶需求和功能需求以文本的方式錄入DOORS中,方便整理和完善。在后續(xù)的模型設(shè)計中,為了保證需求良好的追溯性,需要在DOORS中,將用戶需求文檔和系統(tǒng)功能需求文檔逐級逐條對應(yīng)關(guān)聯(lián)。需求關(guān)聯(lián)后,在整個設(shè)計周期都可以查看系統(tǒng)的需求對應(yīng)關(guān)系。
(2)關(guān)聯(lián)功能性需求到用例。
完成需求內(nèi)部關(guān)聯(lián)后,需要以SysML用例模型的形式將需求分析結(jié)果展現(xiàn)。用例模型是從某一特定的功能方面對系統(tǒng)描述,根據(jù)功能需求分析結(jié)果,在SysML模型用例圖設(shè)置對應(yīng)的功能用例,確定兩個功能用例之間以及用例和外部角色之間的關(guān)系,并將這些關(guān)系繪制在用例圖中。DOORS的需求分析結(jié)果和Rhapsody的用例模型整理完畢后,兩者還是獨立模塊,需要利用Rhapsody Gateway把ES需求分析文檔從DOORS導(dǎo)入Rhapsody工程中,并通過《trace》追蹤關(guān)系的方式,逐條鏈接需求文檔與功能用例,從而實現(xiàn)整個設(shè)計過程的需求追蹤和管理[5]。
2.2 功能分析
ES功能分析階段,即為黑盒模型階段,設(shè)計者基于前一階段的供電和配電用例分析系統(tǒng)功能,得到功能用例應(yīng)具備的靜態(tài)架構(gòu)、屬性特征和狀態(tài)變化等關(guān)鍵特性;然后基于功能用例的關(guān)鍵特性,從靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為兩個方面,把每個頂層功能用例轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行模型。
(1)黑盒靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型。
黑盒靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型是對頂層用例的屬性、操作和狀態(tài)進(jìn)行描述。首先根據(jù)頂層用例,定義用例模型的上下文,此時僅為初步的內(nèi)部模型圖(IBD),部件無端口。再創(chuàng)建用例之間以及用例與外部參與者之間的事件和數(shù)據(jù)接口。根據(jù)控制邏輯和事件發(fā)送,完成部件的互相連接,即構(gòu)成用例靜態(tài)模型。供電模塊主要負(fù)責(zé)飛機(jī)的電源供應(yīng)工作。飛機(jī)檢查飛機(jī)發(fā)電機(jī)的狀態(tài),接收來自駕駛員(Pilot)的控制指令;通過液壓模塊(Hydraulic)進(jìn)行發(fā)動機(jī)啟動控制;接收顯示系統(tǒng)(Display)顯示關(guān)鍵部件的狀態(tài)信息,進(jìn)行飛機(jī)供電設(shè)備的調(diào)整,更改供電模式,保證飛機(jī)負(fù)載的正常供配電與工作。
(2)黑盒動態(tài)行為模型。
黑盒動態(tài)行為建模,即建立SysML活動圖,時序圖和狀態(tài)圖,從系統(tǒng)的活動流程和狀態(tài)行為兩方面對ES進(jìn)行詳細(xì)的描述。以供電系統(tǒng)為例,首先根據(jù)黑盒靜態(tài)結(jié)構(gòu)的操作屬性,定義供電用例具體功能流,得到供電用例活動圖,再根據(jù)活動圖的事件交互導(dǎo)出序列圖描述的用例場景。最后以事件驅(qū)動,從狀態(tài)行為的維度描述供電用例部件的具體狀態(tài)變化。以上的內(nèi)部模塊圖,活動圖時序圖和狀態(tài)圖共同組成了ES供電用例的可執(zhí)行模型。
2.3 設(shè)計綜合
功能分析階段的黑盒模型,完成了ES頂層架構(gòu)的分析設(shè)計。設(shè)計綜合需要以黑盒模型為基礎(chǔ),把頂層功能用例細(xì)化分解成子系統(tǒng)/部件進(jìn)行權(quán)衡分析,定義具體功能部件,并分配相應(yīng)的系統(tǒng)功能性需求到系統(tǒng)子部件,設(shè)計各子系統(tǒng)的操作,狀態(tài)行為,以及子系統(tǒng)內(nèi)部與系統(tǒng)外部的交互關(guān)系,此階段即為白盒階段。
設(shè)計綜合階段實際上是針對每個子用例詳細(xì)設(shè)計,將黑盒視圖細(xì)化展開為白盒視圖。該階段具體實現(xiàn)流程與前一階段十分類似,本小節(jié)依然按照靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為兩個維度對設(shè)計綜合階段產(chǎn)出的模型進(jìn)行介紹。
(1)白盒靜態(tài)結(jié)構(gòu)模型。
在功能分析階段中,已經(jīng)將ES的頂層架構(gòu)劃分為兩個功能用例(供電、配電功能用例),而在ES設(shè)計綜合階段,需要逐個針對頂層功能系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)分,并按照邏輯設(shè)計其與頂層系統(tǒng)或子部件的關(guān)系。與黑盒靜態(tài)模型相比,將頂層供電用例細(xì)分為主電源(Main Power Supply)、輔助電源(APU)、緊急供電部件(Emergency Power Supply)、蓄電池供電系統(tǒng)(Battery Supply)和重要供電模塊(Essential Power Supply)5個子部件,如圖2所示。由圖2可知子部件之間有著復(fù)雜的交互關(guān)系,而且供電系統(tǒng)與外部參與者之間的交互關(guān)系連接到了具體的供電部件。
(2)白盒動態(tài)行為模型。
白盒動態(tài)行為模型依舊從活動圖,時序圖和狀態(tài)圖三個維度進(jìn)行描述。如圖3供電用例白盒活動圖所示,利用泳道將供電用例的操作劃分到各子部件中,每個泳道內(nèi)的活動流與分解的子部件相對應(yīng)。由白盒泳道活動圖可以導(dǎo)出供電白盒時序圖,定義供電子部件數(shù)據(jù)端口,描述事件交互順序的用例場景。供電白盒狀態(tài)圖不同于黑盒視角,需要對每個供電子用例,分別建立其狀態(tài)圖用以描述其狀態(tài)行為,而且不同狀態(tài)圖之間需要通過事件和參數(shù)的變化完成整個供電功能的實現(xiàn)。采用上述方法實現(xiàn)所有功能用例之后,應(yīng)該整合整個系統(tǒng)模型,得到完整的民機(jī)電氣系統(tǒng)架構(gòu)。
3 ?系統(tǒng)可視化仿真驗證
在完成電氣系統(tǒng)建模后,還需要驗證ES模型的功能、邏輯、行為是否滿足設(shè)計要求。在設(shè)計仿真驗證時,采用Rhapsody自帶的面板圖功能,設(shè)計交互界面,通過界面按鈕快速地向模型發(fā)送事件,同時通過界面顯示燈接收模型反饋的數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時顯示,從而使設(shè)計者準(zhǔn)確及時地獲得模型的狀態(tài)信息,便于驗證ES模型的邏輯架構(gòu)。下面以緊急供電為例介紹介紹。
當(dāng)LVFG、RVFG、APU均無法正常供電時,進(jìn)入緊急供電模式,顯示界面的配電負(fù)載,只有關(guān)鍵的直流負(fù)載繼續(xù)供電,一般交流負(fù)載都停止工作,降低飛機(jī)電耗,保證關(guān)鍵設(shè)備的電能充足。圖4為RAT緊急供電交互界面,此時RAT系統(tǒng)仍對蓄電池發(fā)出供電指令,重要供電模塊的飛控系統(tǒng)參數(shù)開始重復(fù)變化,在顯示界面發(fā)送警報指令,提醒駕駛員。而在RAT故障或空速沒達(dá)到要求時,RAT失效,RAT子系統(tǒng)發(fā)送緊急信號給蓄電池系統(tǒng),蓄電池開始放電,為飛機(jī)關(guān)鍵設(shè)備供電,此時重要供電系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)電流通道狀態(tài)發(fā)生變化,交互界面的供電類型變?yōu)榫o急供電。
本文只針對民機(jī)電氣系統(tǒng)的供電系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹,首先配電系統(tǒng)的整體設(shè)計方案與供電模塊一致,而且配電系統(tǒng)模塊內(nèi)部的交互信息和狀態(tài)變化,均可由可視化界面仿真驗證其設(shè)計效果。
4 ?結(jié)語
電氣系統(tǒng)作為民機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的重要組成部分,而采用基于文本的系統(tǒng)工程設(shè)計民機(jī)電氣系統(tǒng)存在質(zhì)量低、周期長和花費大等諸多缺陷,因此研究電氣系統(tǒng)的MBSE設(shè)計對實現(xiàn)飛機(jī)全機(jī)系統(tǒng)模型化設(shè)計具有重要意義。在此背景下,本文基于Rhapsody仿真平臺采用SysML建模語言,結(jié)合電氣系統(tǒng)物理架構(gòu),建立了完整的電氣系統(tǒng)的模型設(shè)計及仿真驗證方案,開發(fā)民機(jī)電氣系統(tǒng)仿真模型,制定適用的仿真建模規(guī)范,希望能為之后的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)的模型設(shè)計研發(fā)提供有效的參考依據(jù)。
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