劉紅皊 江西洪都航空工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 南昌市 330024

0 引言

系統(tǒng)工程作為一種研制管理方法，自20世紀(jì)60年代以來(lái)就常用在國(guó)外航天和國(guó)防領(lǐng)域。構(gòu)建系統(tǒng)模型是系統(tǒng)工程的核心，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程，是基于各種文本文檔進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)模型構(gòu)建的，模型構(gòu)建過(guò)程中的方案設(shè)計(jì)和概念開(kāi)發(fā)都是依靠文件進(jìn)行的。在需求規(guī)格、接口控制文件、產(chǎn)品規(guī)范等的撰寫(xiě)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)人員需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力。并且由于文件中存在隱含的需求，在判識(shí)和傳遞上很難確保一致，加大了需求變更所造成的影響以及覆蓋分析的難度。而且在系統(tǒng)的早期階段，一旦疏忽邏輯設(shè)計(jì)及系統(tǒng)需求的確認(rèn)和驗(yàn)證，那么后續(xù)的需求變更會(huì)導(dǎo)致巨大的影響，同時(shí)工程的開(kāi)發(fā)周期和成本也會(huì)大大增加。

MBSE使用系統(tǒng)建模語(yǔ)言（SysML）構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型。通過(guò)以建模語(yǔ)言表達(dá)的系統(tǒng)靜態(tài)視圖代替大量文檔，包括參數(shù)、架構(gòu)和接口，以及系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。SysML作為系統(tǒng)工程的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，具有圖形化且易于計(jì)算機(jī)處理的優(yōu)勢(shì)，在運(yùn)用于復(fù)雜系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)，不僅能夠提高系統(tǒng)的質(zhì)量，還能有效提升系統(tǒng)工程信息在工具之間交換方面的能力，同時(shí)能減少系統(tǒng)或軟件與其它工程學(xué)科間的語(yǔ)義差異。近幾年，MBSE方法已經(jīng)成為系統(tǒng)工程界研究與應(yīng)用的熱點(diǎn)。其作為一種新的范式，被美國(guó)航空航天局、歐空局等政府組織、IBM等軟件和方案提供商積極在項(xiàng)目中加以應(yīng)用和研究。

相比基于文檔的系統(tǒng)工程（TSE），MBSE的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）知識(shí)表示的無(wú)二義性；

（2）一體化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

（3）系統(tǒng)內(nèi)容的可重用性；

（4）提高溝通交流的效率；

（5）增強(qiáng)知識(shí)的獲取和再利用；

（6）通過(guò)模型可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行多角度分析，支持早期進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證和確認(rèn)，可降低風(fēng)險(xiǎn)，減少設(shè)計(jì)更改帶來(lái)的時(shí)間周期和費(fèi)用等。

總之，可以說(shuō)系統(tǒng)工程的未來(lái)是“基于模型的”。

1 基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）概述

1.1 系統(tǒng)工程的主要思想

系統(tǒng)工程是一門(mén)專(zhuān)業(yè)學(xué)科方法論，用在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、技術(shù)管理、系統(tǒng)運(yùn)行使用和退役等各方面。它面向系統(tǒng)全生命周期，從型號(hào)的概念論證、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)使用、綜合保障直到系統(tǒng)退出等各個(gè)過(guò)程，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工程的全生命周期

系統(tǒng)工程的核心是提供用戶(hù)滿(mǎn)意的產(chǎn)品，它的關(guān)鍵在于需求分析、功能分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)，為了提升系統(tǒng)工程能力，迫切需要提升需求分析、管理、表達(dá)和驗(yàn)證手段，開(kāi)展需求工程工作。圖2中的模型僅展示了SE的主要技術(shù)過(guò)程，沒(méi)有展示轉(zhuǎn)移、運(yùn)行、維護(hù)和退出過(guò)程。

圖2 基于ISO/IEC/IEEE 15288標(biāo)準(zhǔn)的SE過(guò)程V-Mode模型

1.2 需求工程

需求工程是一套進(jìn)行需求管理、需求開(kāi)發(fā)和需求確認(rèn)的方法論，而DOORS是進(jìn)行需求管理的工具之一。作為由IBM開(kāi)發(fā)的一款專(zhuān)業(yè)的需求管理軟件，DOORS可作為系統(tǒng)的需求管理解決方案。需求工程流程包括需求開(kāi)發(fā)流程和DOORS管理流程。需求開(kāi)發(fā)流程是一個(gè)頂層架構(gòu)，是進(jìn)行需求捕獲、需求分析和需求分解等需求開(kāi)發(fā)過(guò)程所應(yīng)遵循的基本方法，是DOORS應(yīng)用的基礎(chǔ)，如圖3所示。

圖3 可遞歸的需求開(kāi)發(fā)流程

其目標(biāo)是確保需求開(kāi)發(fā)的完整性；使需求之間建立簡(jiǎn)單清晰的關(guān)系，便于需求的跟蹤管理；使流程可遞歸和可擴(kuò)展。DOORS管理流程是一套與DOORS相關(guān)的管理規(guī)則，是需求開(kāi)發(fā)流程活動(dòng)在DOORS中的實(shí)踐，目標(biāo)是有效控制與管理DOORS中的需求條目。主要包括需求確認(rèn)、需求發(fā)布和需求變更等流程。

DOORS應(yīng)用主要圍繞流程、系統(tǒng)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)與模板三方面開(kāi)展工作。系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)定了型號(hào)項(xiàng)目的頂層需求、各專(zhuān)業(yè)需求及其它各種需求在DOORS中的組織方式，目標(biāo)是使各種需求以與需求開(kāi)發(fā)流程相一致的邏輯關(guān)系進(jìn)行呈現(xiàn)，便于查找、建立關(guān)系，提高管理效率；并提供一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和接口，便于數(shù)據(jù)移植和其它擴(kuò)展應(yīng)用工具的開(kāi)發(fā)。標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范規(guī)定了需求開(kāi)發(fā)過(guò)程中應(yīng)遵循的一套規(guī)則，以便需求數(shù)據(jù)在DOORS中的組織和管理。包括需求編寫(xiě)規(guī)范、需求編碼標(biāo)準(zhǔn)、需求分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)和需求屬性定義標(biāo)準(zhǔn)等。模板是標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，目的是簡(jiǎn)化工作、統(tǒng)一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.3 IBM Rational DOORS介紹

與其他需求管理平臺(tái)不同的是，IBM Rational DOORS面向開(kāi)發(fā)者、管理者、測(cè)試人員以及整個(gè)產(chǎn)品生命周期。應(yīng)用于項(xiàng)目中，DOORS可以進(jìn)行需求文件的鏈接管理、多個(gè)項(xiàng)目間共享文件、可疑鏈接檢測(cè)及需求條目的權(quán)限管理等。

1.4 IBM Rational Rhapsody介紹

IBM Rational Rhapsody支持嵌入式和實(shí)時(shí)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，且提供一種可視化的開(kāi)發(fā)環(huán)境?；赨ML/SysML的模型驅(qū)動(dòng)下的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，Rhapsody可實(shí)現(xiàn)將與平臺(tái)無(wú)關(guān)的應(yīng)用模型部署到實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)。此外，其具有的種類(lèi)眾多、功能強(qiáng)大的Add-Ons擴(kuò)展模塊也可滿(mǎn)足客戶(hù)不同的應(yīng)用需求。

1.5 SimulationX介紹

SimulationX作為多學(xué)科領(lǐng)域建模、模擬仿真的通用工具，可用于分析評(píng)價(jià)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件相互作用。它具有強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)和后處理系統(tǒng)，同時(shí)還能提供面向用戶(hù)的模塊和版本及眾多軟件接口，能滿(mǎn)足用戶(hù)在不同領(lǐng)域的各種需求。在每個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，利用SimulationX都能完成一些精細(xì)和復(fù)雜的研發(fā)任務(wù)。

2 MBSE解決方案

整合后的系統(tǒng)工程V模型，如圖4所示，以航空產(chǎn)品V型開(kāi)發(fā)流程主線，以需求工程、仿真工程、設(shè)計(jì)工程、制造工程、試驗(yàn)工程、交付工程為階段，融合現(xiàn)有碎片化的解決方案，消除單一供應(yīng)商解決方案的局限性，提升系統(tǒng)工程整體業(yè)務(wù)的協(xié)同性及解決方案開(kāi)發(fā)、業(yè)務(wù)規(guī)劃與咨詢(xún)能力。

圖4 整合后的系統(tǒng)工程V模型

基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)包括需求分析、功能分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)和多學(xué)科聯(lián)合仿真三個(gè)方面。

2.1 需求分析

需求的屬性包括標(biāo)識(shí)、類(lèi)別和狀態(tài)等，采用DOORS工具進(jìn)行需求管理。需求分析過(guò)程是建立在對(duì)系統(tǒng)需求的充分理解之上，可能會(huì)出現(xiàn)更改需求情況，目的也是為了不斷更新和完善系統(tǒng)需求。

2.2 功能分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)功能分析是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，可通過(guò)狀態(tài)機(jī)圖、活動(dòng)圖等多個(gè)視圖來(lái)完成功能架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)模型的設(shè)計(jì)是整個(gè)研制工作的首要條件，可以理解為系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案。由于系統(tǒng)架構(gòu)模型與視圖的關(guān)聯(lián)性，對(duì)同一個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)模型，各方參與者可進(jìn)行模型分析和優(yōu)化。將系統(tǒng)需求從DOORS導(dǎo)入到建模工具Rhapsody中進(jìn)行功能分析和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

2.3 多學(xué)科聯(lián)合仿真

仿真是對(duì)模型的實(shí)施與執(zhí)行，在功能分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，將Rhapsody的分析和建模結(jié)果導(dǎo)入到SimulationX工具中進(jìn)行多領(lǐng)域不同類(lèi)型的聯(lián)合仿真。

3 結(jié)束語(yǔ)

MBSE能夠提升需求驅(qū)動(dòng)的正向設(shè)計(jì)能力，從“需求滿(mǎn)足”到“需求驅(qū)動(dòng)”，建立基于需求的研發(fā)體系，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新；能夠更直觀清晰反映功能邏輯，是對(duì)需求含義和內(nèi)容的補(bǔ)充，即完善需求內(nèi)容；系統(tǒng)設(shè)計(jì)意圖通過(guò)模型表達(dá)和傳遞，有利于不同團(tuán)隊(duì)人員達(dá)成共識(shí)，避免歧義在后期顯現(xiàn)；雖然MBSE會(huì)增加設(shè)計(jì)階段的工作量，但有助于把需求分析清楚，減少返工，從總體上縮短工程周期和降低成本。