陳斌

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333000）

1 緒論

1.1 背景與意義

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭在信息爭奪與電子對(duì)抗方面提出很高要求，影響了新型軍用直升機(jī)的功能需求不斷增加和航空電子系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，直升機(jī)航空電子系統(tǒng)逐漸開始向綜合化智能化方向發(fā)展，直升機(jī)航空電子系統(tǒng)的功能日益強(qiáng)大和復(fù)雜，處理的信息量成倍增長，因此，新一代綜合航電采用了IMA 架構(gòu)、AFDX、ARINC653 等新技術(shù)。簡單依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)難以對(duì)研發(fā)流程實(shí)現(xiàn)控制、難以實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的合理分配，亟需采用新的設(shè)計(jì)方法和工具。

基于模型的系統(tǒng)工程是一種用于解決設(shè)計(jì)復(fù)雜控制、信號(hào)處理以及通信系統(tǒng)中相關(guān)問題的可視化方法，在國外已經(jīng)成功應(yīng)用于各種型號(hào)飛機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的優(yōu)勢如下：

（1）基于模型交付，直觀且避免個(gè)人理解差異，增進(jìn)相關(guān)方間技術(shù)需求溝通；

（2）模型可被執(zhí)行，便于自己確認(rèn)需求，便于相關(guān)方驗(yàn)證需求，基于模型在系統(tǒng)開發(fā)早期就能進(jìn)行需求確認(rèn)與驗(yàn)證；

（3）基于模型的系統(tǒng)工程，可讓系統(tǒng)工程師更關(guān)注于系統(tǒng)設(shè)計(jì)本身，相關(guān)規(guī)范執(zhí)行和文檔生成等可以留給系統(tǒng)工具自動(dòng)完成；

（4）基于模型可自動(dòng)生成測試用例，基于模型可完成系統(tǒng)不同階段仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)開發(fā)全過程持續(xù)集成、驗(yàn)證與測試；

（5）支持自動(dòng)代碼生成，減少人為錯(cuò)誤降低重復(fù)性低價(jià)值工作；（6）模型重用可用于后續(xù)衍生系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)。

基于模型的系統(tǒng)工程最少包含：建模語言、建模方法論和建模工具平臺(tái)。根據(jù)目前公開資料，在民用航空領(lǐng)域形成了多種MBSE方法論或行業(yè)最佳實(shí)踐，其中，IBM Rational 的Harmony-SE 方法論最為著名，基于此方法論的系統(tǒng)建模工具為Rhapsody，同樣也是航空領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的開發(fā)工具平臺(tái)。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 基于模型的系統(tǒng)工程研究現(xiàn)狀

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是一種系統(tǒng)工程方法，與傳統(tǒng)基于文檔不同，改為基于模型為數(shù)據(jù)信息交付媒介，主要面向復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)研發(fā)。在這種方法中，核心模型代表了多個(gè)系統(tǒng)之間的協(xié)同，同時(shí)反過來稱為一個(gè)項(xiàng)目的基本構(gòu)件，如系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)規(guī)范和驗(yàn)證信息。

2007年INCOSE 推出MBSE 概念，定義MBSE 是用于支持“模型驅(qū)動(dòng)的”系統(tǒng)工程，用于復(fù)雜系統(tǒng)的需求分析、功能建模、設(shè)計(jì)確認(rèn)與驗(yàn)證，涵蓋自系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)、產(chǎn)品交付直到設(shè)備后續(xù)維護(hù)整個(gè)產(chǎn)品生命周期。INCOSE 預(yù)計(jì)2015-2020年間MBSE 方法將會(huì)逐步成熟完善，目前依然處于快速迭代演進(jìn)過程中，目前在國外已經(jīng)有大量成功應(yīng)用案例與實(shí)踐。

圖1：Harmony-SE 工作流程

1.2.2 基于Harmony SE 的航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測試的研究現(xiàn)狀

歷經(jīng)40 多年的發(fā)展，國內(nèi)航空業(yè)的技術(shù)水平，已經(jīng)逐漸趕上國外先進(jìn)水平，同樣也要面對(duì)行業(yè)共同難題，無論是面向適航還是復(fù)雜嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，對(duì)于國內(nèi)航空器設(shè)計(jì)來說都是新的挑戰(zhàn)，我們都缺乏這方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。為了更好地應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，我們國內(nèi)也積極地開展了對(duì)MBSE 的實(shí)踐研究。

2 基于Harmony-SE的航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析框架

2.1 Harmony-SE工作流程

如圖1 所示，Harmony-SE 工作流程由基于用例迭代的三個(gè)階段組成：需求分析、系統(tǒng)功能分析和設(shè)計(jì)綜合。

2.2 需求分析階段

在需求分析階段,重點(diǎn)是分析流程的輸入，涉眾需求被推導(dǎo)成系統(tǒng)需求。涉眾需求是從外部的角度強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的能力,而系統(tǒng)需求是描述系統(tǒng)為了達(dá)到這些能力必須具備的功能和功能應(yīng)實(shí)現(xiàn)的多好。

需求分析階段開始于分析涉眾的需求并對(duì)此進(jìn)行選擇性細(xì)化。這一階段的輸出為涉眾需求規(guī)格。從本質(zhì)上講，涉眾的需求主要是所需的能力。在接下來的步驟中，這些需求被轉(zhuǎn)化成所需的系統(tǒng)功能并記錄在系統(tǒng)需求規(guī)格初稿中。所確認(rèn)的系統(tǒng)需求與其相關(guān)的涉眾需求應(yīng)進(jìn)行可追溯性鏈接。

在需求分析階段的下一個(gè)主要步驟是定義系統(tǒng)用例。在系統(tǒng)的功能性需求被充分理解后，將其歸納為多個(gè)用例。用例可被理解為功能性需求的章節(jié)標(biāo)題。必須確保所有的系統(tǒng)的功能性需求都指向一個(gè)或多個(gè)用例。這樣的“指向”關(guān)系可以用Doors 的追蹤功能，或者Rhapsody 的decency 來實(shí)現(xiàn)。

用例可以具有結(jié)構(gòu)化的層次，但注意不要對(duì)用例進(jìn)行功能性分解。用例不是功能，它們使用功能。沒有“金科玉律”來指導(dǎo)描述一個(gè)系統(tǒng)所需的用例數(shù)。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于大的系統(tǒng)，通常可以在頂層定義6 至24 個(gè)用例。在最底層的用例應(yīng)該至少5 個(gè)，其中含有最多25 個(gè)關(guān)鍵用例場景。在這一階段，重點(diǎn)是放在確認(rèn)“正常情況”用例，假設(shè)系統(tǒng)行為不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤/失敗。在系統(tǒng)功能分析階段通過模型執(zhí)行來確認(rèn)例外場景。

一旦定義了系統(tǒng)級(jí)用例并確保了功能和相關(guān)性能需求被完整地覆蓋了，就要根據(jù)它們對(duì)定義該系統(tǒng)架構(gòu)的重要性進(jìn)行排序。該次序定義了系統(tǒng)工程的工作流程的迭代增量。在每次迭代結(jié)束后這個(gè)排名可能需要被更新。

2.3 系統(tǒng)功能分析階段

系統(tǒng)功能分析階段的主要重點(diǎn)是把根據(jù)系統(tǒng)需求定義系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)功能分析階段的工作從上一階段定義的用例開始，通過活動(dòng)圖、時(shí)序圖和狀態(tài)圖對(duì)用例進(jìn)行詳細(xì)描述，并基于構(gòu)建的行為模型，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行驗(yàn)證，從而得到滿足用戶和系統(tǒng)需求的一系列系統(tǒng)功能。

建模工作流程中的下一個(gè)步驟是定義用例塊的行為。它是通過三個(gè)SysML 圖來表達(dá)的：

（1）活動(dòng)圖；

（2）序列圖；

（3）狀態(tài)圖；

上述的每個(gè)圖都從特定的角度描述用例場景。此時(shí)的活動(dòng)圖是黑盒活動(dòng)圖，將系統(tǒng)看做一個(gè)整體，描述該系統(tǒng)在特定的用例場景下的運(yùn)作過程。它把功能需求組合到動(dòng)作中。此時(shí)的時(shí)序圖是黑盒時(shí)序圖，將系統(tǒng)作為一個(gè)整體，用于描述系統(tǒng)與外部角色之間的交互。狀態(tài)圖則從系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的角度描述系統(tǒng)的工作過程。它把這些信息放到系統(tǒng)狀態(tài)的背景中，并根據(jù)外部激勵(lì)的不同優(yōu)先級(jí)把信息加入系統(tǒng)行為。

在系統(tǒng)功能分析過程中最重要的是構(gòu)建系統(tǒng)的狀態(tài)圖模型。它同時(shí)包含了黑盒時(shí)序圖和黑盒活動(dòng)圖的信息，并可通過模型執(zhí)行進(jìn)行驗(yàn)證。 用例黑盒活動(dòng)圖和相關(guān)的黑盒序列圖將在以后的設(shè)計(jì)過程中被重用。

2.4 設(shè)計(jì)綜合階段

設(shè)計(jì)綜合階段的重點(diǎn)是在規(guī)定的約束條件下，設(shè)計(jì)出能夠?qū)崿F(xiàn)上一階段提出的系統(tǒng)功能的物理架構(gòu)。設(shè)計(jì)綜合遵循自頂向下的方法。設(shè)計(jì)綜合階段分為3 個(gè)子階段，分別是：權(quán)衡分析階段、架構(gòu)設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段。權(quán)衡分析是根據(jù)指定的性能指標(biāo)要求，分析比較不同的系統(tǒng)架構(gòu)方案，從中選擇相關(guān)最優(yōu)的方案作為系統(tǒng)架構(gòu)方案。架構(gòu)設(shè)計(jì)將是將前面階段分析得到系統(tǒng)需求，包括功能性需求和非功能性需求，分配到系統(tǒng)架構(gòu)上去。詳細(xì)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段的主要工作是定義子系統(tǒng)之間的端口和接口，并構(gòu)建子系統(tǒng)的行為模型，特別是狀態(tài)圖模型，對(duì)得到的系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)證，確保能夠滿足需求。

設(shè)計(jì)綜合通常開始于對(duì)每個(gè)層次架構(gòu)的分解，得到不同的實(shí)現(xiàn)方案，然后對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行分析比較，從中選優(yōu)。因?yàn)槟軌驖M足用戶和系統(tǒng)需求的方案很可能不只是一種，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的指標(biāo)或者準(zhǔn)則對(duì)方案進(jìn)行比較，這組準(zhǔn)則可以根據(jù)其相對(duì)重要性進(jìn)行加權(quán)。

在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)是把系統(tǒng)級(jí)操作分配到架構(gòu)結(jié)構(gòu)的元素中。這種結(jié)構(gòu)可以是以前方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果或某一給定架構(gòu)。分配是一個(gè)迭代的過程，通常要與領(lǐng)域?qū)＜业暮献鱽硗瓿伞?/p>

3 總結(jié)

本文采用業(yè)界主流的Harmony-SE 方法論來解決航電系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題，能夠?yàn)楹诫娤到y(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)工程流程支撐，使得不同階段的工作能夠緊密、無縫銜接。同時(shí)，基于模型的系統(tǒng)開發(fā)方式能夠有效管理系統(tǒng)復(fù)雜性和二義性，使得不同專業(yè)的人員能夠圍繞模型進(jìn)行協(xié)同配合，模型間的追溯鏈接也使得系統(tǒng)的變更自動(dòng)在全局范圍內(nèi)生效，極大地提高系統(tǒng)研發(fā)效率?；谀Ｐ偷姆抡娣治鍪沟迷O(shè)計(jì)人員能夠在早期對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤并進(jìn)行修改，避免后期修改帶來的風(fēng)險(xiǎn)和成本，提高系統(tǒng)研發(fā)的成功率。