姬曉慧 陳國定
(中國直升機(jī)設(shè)計研究所,江西 景德鎮(zhèn) 333001)
系統(tǒng)工程(SE)是一種面向復(fù)雜系統(tǒng)研制,通過使用跨學(xué)科方法論來控制復(fù)雜系統(tǒng)的開發(fā)過程,它也是一種能夠成功實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的方法和手段。系統(tǒng)工程貫穿在復(fù)雜工程型號全生命周期的流程活動中,在型號研制初期就能夠發(fā)揮巨大的價值,極大地降低了研發(fā)風(fēng)險和費(fèi)用。系統(tǒng)工程不等同于系統(tǒng)的研制,而是保證系統(tǒng)成功研制的方法和手段,其流程的典型表達(dá)方式如 所示。系統(tǒng)工程流程主要由活動項(xiàng)、輸入項(xiàng)以及輸出項(xiàng)組成,活動項(xiàng)將輸入項(xiàng)轉(zhuǎn)化為輸出項(xiàng)。在流程中,存在法律法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)以及要求等控制項(xiàng),還有為了更好地支持活動流程而存在的使能項(xiàng),這些存在項(xiàng)使系統(tǒng)能夠按預(yù)期得以成功研發(fā)。
傳統(tǒng)設(shè)計方法指導(dǎo)下的系統(tǒng)開發(fā)過程存在很多問題,例如參與開發(fā)系統(tǒng)的各分系統(tǒng)未建立專業(yè)的信息傳遞機(jī)制;在開發(fā)過程中,文檔之間信息追溯方式零散,信息貫通性低;大多數(shù)缺陷只能在后期才被發(fā)現(xiàn),修復(fù)成本高;優(yōu)化和改進(jìn)空間少,導(dǎo)致整個研制周期存在較高的風(fēng)險;研制過程中存在設(shè)計時間不足的問題,導(dǎo)致風(fēng)險把控不足,只能靠后期集成測試來解決問題;在整個研制過程中嚴(yán)重依賴經(jīng)驗(yàn),不利于自主創(chuàng)新。
系統(tǒng)工程以實(shí)際需求為導(dǎo)向,在整個過程中建立合適的工作流,明確相關(guān)節(jié)點(diǎn),在不同環(huán)節(jié)之間向上確認(rèn)、向下交付,從而保持整個開發(fā)過程中信息的貫通性及可追溯性。系統(tǒng)工程從復(fù)雜問題的總體入手,開始時就考慮各子系統(tǒng)之間不是互相獨(dú)立的,與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比,它極大地增強(qiáng)了獲取、分析、共享和管理與產(chǎn)品規(guī)范相關(guān)的信息的能力,而系統(tǒng)工程中基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)由于借助模型增強(qiáng)了共享信息的能力,因此改善了開發(fā)系統(tǒng)時利益攸關(guān)者之間的溝通。通過以標(biāo)準(zhǔn)化的方式捕獲信息,方便隨著系統(tǒng)開發(fā)管理進(jìn)程及時對信息進(jìn)行更新和維護(hù),提高信息的可追溯性、可共享性及復(fù)用率。系統(tǒng)工程是信息自上而下準(zhǔn)確傳遞的重要保障,確保需求被充分驗(yàn)證與確認(rèn),同時規(guī)范化設(shè)計流程,提高信息的可追溯性,是正向設(shè)計研發(fā)體系的突破口。
基于系統(tǒng)工程的直升機(jī)研發(fā)設(shè)計,不僅可以降低研發(fā)流程中的成本和風(fēng)險,提高后期保障能力,而且還可以提高需求修改的追溯性,有利于對總體的宏觀把控,增強(qiáng)設(shè)計的邏輯性,有效避免通用質(zhì)量特性與型號脫節(jié)的現(xiàn)象。
當(dāng)前工程架構(gòu)開發(fā)中常用的系統(tǒng)工程方法論有Harmony SE、ARCADIA、OOSEM 以及Magic Grid 等,這些方法論都是為了解決實(shí)際問題發(fā)展而來的,都能很好地支持MBSE 方法的產(chǎn)品設(shè)計。為Rational 集成系統(tǒng)開發(fā)流程Harmony 圖,由于整個Harmony 圖是一個“V”形,因此該模型也被稱為MBSE 典型的“V”模型?!癡”模型的左側(cè)是以需求為牽引的正向自頂向下設(shè)計過程,包括需求分析、系統(tǒng)功能分析以及設(shè)計綜合等階段,右側(cè)是自底向上的測試與驗(yàn)證,包括軟件實(shí)施、單元測試以及模塊集成測試等階段。該文對Harmony SE 方法論進(jìn)行改進(jìn),并在改進(jìn)的基礎(chǔ)上對MBSE 在直升機(jī)設(shè)計中的實(shí)施方法進(jìn)行研究。
Harmony SE(Harmony for Systems Engineering)屬 于MBSE 方法,其系統(tǒng)工程工作流是增量迭代式的周期活動流,該方法論的主要目標(biāo)為初步識別并導(dǎo)出系統(tǒng)功能,基于系統(tǒng)功能開展系統(tǒng)模式和狀態(tài)分析,經(jīng)架構(gòu)設(shè)計與權(quán)衡來開發(fā)最優(yōu)系統(tǒng)架構(gòu),并將系統(tǒng)功能和模式/狀態(tài)分配到子系統(tǒng)中。
Harmony SE 主要包括3 個設(shè)計階段:需求分析、系統(tǒng)功能分析及設(shè)計綜合。需求分析階段將用戶需求轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)需求,定義功能需求和性能需求,并將需求按頂層功能進(jìn)行分組,完成用例劃分和場景描述,再將分析數(shù)據(jù)傳遞給存儲庫和系統(tǒng)功能分析階段。系統(tǒng)功能分析階段針對上一階段劃分的用例對場景、活動和狀態(tài)進(jìn)行分析,將系統(tǒng)以不同的視角轉(zhuǎn)化成可執(zhí)行的模型,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。該階段重點(diǎn)定義系統(tǒng)需要執(zhí)行的功能性能需求,但不約束功能具體如何實(shí)現(xiàn)。設(shè)計綜合階段主要涉及架構(gòu)分析和架構(gòu)設(shè)計的迭代,針對系統(tǒng)功能分析階段得到的功能性能需求開展架構(gòu)設(shè)計,提出多個解決方案,并進(jìn)行權(quán)衡研究分析,選擇滿足功能性能需求的整體最佳架構(gòu)開展架構(gòu)深化設(shè)計,最終實(shí)現(xiàn)頂層功能。各階段設(shè)計活動示意圖如 所示。
采用Harmony SE 方法論對一個系統(tǒng)單層級進(jìn)行開發(fā)有完整固定的框架,但復(fù)雜航空器設(shè)計過程涉及多個層級,不同層級間的銜接與繼承關(guān)系不清晰。為實(shí)現(xiàn)直升機(jī)正向研發(fā)設(shè)計,需要對Harmony SE 方法進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn),提出符合直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的MBSE 方法。
以MBSE 方法論經(jīng)典“V”模型為基礎(chǔ),對單層級簡單系統(tǒng)工作流進(jìn)行細(xì)化,并進(jìn)一步擴(kuò)展至多層級復(fù)雜系統(tǒng)中,從而將其應(yīng)用于直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計。改進(jìn)的方法論主要包括3 個部分,需求分析、方案設(shè)計及設(shè)計驗(yàn)證。需求分析繼承了Harmony SE 方法論從需求著手的特點(diǎn),以利益攸關(guān)者需求或上級需求為輸入來完成系統(tǒng)需求定義及開發(fā)工作,進(jìn)而對功能進(jìn)行分解,實(shí)現(xiàn)該層級基于需求的邏輯設(shè)計,在該階段完成功能及需求的驗(yàn)證,從而保證系統(tǒng)行為和特征的正確性。方案設(shè)計階段包括原方法論中架構(gòu)分析與架構(gòu)設(shè)計過程,基于該層級需求的邏輯設(shè)計結(jié)果形成基于模型的方案設(shè)計,并將功能分解分配至相應(yīng)模塊。設(shè)計驗(yàn)證階段貫穿于整個系統(tǒng)研發(fā)過程,在完成每層級方案的設(shè)計工作后,開展該層級內(nèi)部方案設(shè)計的驗(yàn)證工作,經(jīng)功能邏輯驗(yàn)證及性能指標(biāo)驗(yàn)證后將該層級多個系統(tǒng)的驗(yàn)證結(jié)果向上一層級集成驗(yàn)證,保證需求傳遞的完整性、設(shè)計的正確性以及直升機(jī)設(shè)計過程的可控性和邏輯性。改進(jìn)的Harmony SE 方法如圖4 所示。
圖1 典型系統(tǒng)工程IPO 圖
圖2 Rational 集成系統(tǒng)開發(fā)流程Harmony
圖3 Harmony SE 方法論概述
圖4 改進(jìn)的Harmony SE 方法論示意圖
系統(tǒng)工程方法論指導(dǎo)的產(chǎn)品設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一是劃分層級。直升機(jī)設(shè)計過程中層級根據(jù)“裝備層-直升機(jī)層-系統(tǒng)層-子系統(tǒng)層-設(shè)備層”逐級開展需求分析與方案設(shè)計工作,根據(jù)直升機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn),每層級可以進(jìn)一步細(xì)化分解,例如直升機(jī)層可以分解為直升機(jī)、支持系統(tǒng)、訓(xùn)練系統(tǒng)以及飛行機(jī)組4 個部分。直升機(jī)設(shè)計過程最終的層級劃分如圖5 所示。
圖5 直升機(jī)層級劃分示意
在直升機(jī)設(shè)計研發(fā)中使用改進(jìn)的MBSE 方法,實(shí)施過程按層級進(jìn)行。改進(jìn)方法中需求分析和方案設(shè)計為單層級設(shè)計研發(fā)的主要環(huán)節(jié),設(shè)計驗(yàn)證與需求分析和方案設(shè)計迭代進(jìn)行,主要工作貫穿在2 個階段中,以相鄰兩層級研發(fā)工作為例,主要過程如圖6 所示。需求分析承接輸入的需求(上級分配的需求或者利益攸關(guān)者需求),并結(jié)合該層級利益攸關(guān)者的需求,經(jīng)功能分析及外部接口分析形成該層級的需求規(guī)范。方案設(shè)計基于該層級的需求規(guī)范開展架構(gòu)定義與設(shè)計,完成功能分配及內(nèi)部接口定義工作,形成分配需求并將其輸出至下一層級。該層級的設(shè)計驗(yàn)證針對功能分析、接口分析和架構(gòu)設(shè)計,以完成該層級方案的設(shè)計驗(yàn)證工作。在完成該層級的設(shè)計驗(yàn)證工作后,須向上集成驗(yàn)證,直至頂層系統(tǒng)。
需求分析階段包括利益攸關(guān)者需求分析和該層系統(tǒng)需求分析,以用例為建模載體,基于黑盒的視角描述系統(tǒng)自身行為及與外部角色的交互,將系統(tǒng)功能性需求轉(zhuǎn)化為可驗(yàn)證的模型,從而開展系統(tǒng)功能分析及外部接口識別工作?;谟美龍鼍啊⒐δ苓壿嫼蜖顟B(tài)建模的分析過程,對每個用例所關(guān)聯(lián)的需求組進(jìn)行分析和優(yōu)化,從功能邏輯模型中提取功能性能需求,從用例場景中提取外部接口需求和約束需求,從狀態(tài)圖中提取狀態(tài)需求,完成需求抽取工作,形成該層級系統(tǒng)的需求規(guī)范。對系統(tǒng)的具體功能進(jìn)行分析的方法包括場景分析、功能邏輯分析及狀態(tài)模式分析等,如圖6 所示。
圖6 適用于直升機(jī)研發(fā)的MBSE 過程
場景分析基于用例的關(guān)聯(lián)需求和頂層運(yùn)行場景,以順序圖為載體,對系統(tǒng)行為執(zhí)行的時間順序、執(zhí)行條件及與外部交互關(guān)系進(jìn)行建模分析。對每個用例中應(yīng)包括的所有成功場景、異常場景進(jìn)行分析。針對每個場景分析的方法如下:1)確定場景的背景環(huán)境。2)確定場景的參與者。3)確定場景的開始條件。4)確定場景的主要任務(wù)目標(biāo)。5)對場景中系統(tǒng)與參與者的交互事件及其時間順序進(jìn)行建模。6)對場景中系統(tǒng)主體行為執(zhí)行條件和時間順序進(jìn)行建模。7)將場景模型與對應(yīng)的需求進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。
功能邏輯分析是基于用例的關(guān)聯(lián)需求和開發(fā)的用例場景,以活動圖為載體,對系統(tǒng)行為執(zhí)行的邏輯順序以及由事件驅(qū)動的動作執(zhí)行過程進(jìn)行建模分析。為完成用例所關(guān)聯(lián)的所有需求的實(shí)現(xiàn)邏輯建立功能邏輯關(guān)系,主要方法如下:1)根據(jù)用例場景確定要實(shí)現(xiàn)的任務(wù)目標(biāo)。2)根據(jù)任務(wù)目標(biāo)確定系統(tǒng)主體的執(zhí)行邏輯。3)根據(jù)系統(tǒng)主體執(zhí)行邏輯進(jìn)行功能邏輯建模。4)根據(jù)用例場景的條件確定功能邏輯的判斷條件。5)進(jìn)行功能邏輯的數(shù)據(jù)交互建模(建模過程中展現(xiàn)每一個功能實(shí)現(xiàn)過程中系統(tǒng)與外部的交互)。6)進(jìn)行功能邏輯的事件驅(qū)動建模(建模過程中展現(xiàn)驅(qū)動功能實(shí)現(xiàn)的事件)。7)將功能模型與對應(yīng)的需求進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。
狀態(tài)模式分析是基于用例場景和功能邏輯,以狀態(tài)圖為載體,對系統(tǒng)的狀態(tài)模式、狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件及與外部交互過程進(jìn)行建模分析。用例狀態(tài)建模主要方法如下:1)基于關(guān)鍵屬性確定系統(tǒng)狀態(tài)劃分并建模。2)結(jié)合用例場景確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換觸發(fā)條件并建模。3)結(jié)合功能邏輯確定狀態(tài)下執(zhí)行的功能并建模。4)基于狀態(tài)開展仿真驗(yàn)證,將仿真結(jié)果與用例場景的一致性作為檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。5)根據(jù)仿真結(jié)果開展用例場景、功能邏輯和狀態(tài)建模的反饋迭代更新工作。6)將狀態(tài)模型與對應(yīng)的需求進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。
方案設(shè)計階段包括架構(gòu)定義和架構(gòu)設(shè)計,主要目的是得到滿足系統(tǒng)需求規(guī)范的全局最優(yōu)架構(gòu),并根據(jù)該架構(gòu)將需求分配到下一層級。在方案設(shè)計階段從白盒的視角對系統(tǒng)進(jìn)行描述,完成子系統(tǒng)間的交互分析、子系統(tǒng)的功能邏輯和狀態(tài)模式開發(fā)工作,定義子系統(tǒng)的接口關(guān)系和頂層能力,為每個子系統(tǒng)建立狀態(tài)模式,開展子系統(tǒng)的交聯(lián)仿真工作,驗(yàn)證架構(gòu)的合理性、功能分配的邏輯正確性和可靠性以及需求分配的完備性,最終完善形成分配給子系統(tǒng)的需求,層層遞進(jìn)傳遞。
設(shè)計驗(yàn)證階段包括需求驗(yàn)證、虛擬驗(yàn)證、半物理仿真集成驗(yàn)證以及試驗(yàn)驗(yàn)證等驗(yàn)證過程。產(chǎn)品自頂向下層層開發(fā),每層級開發(fā)完成后,進(jìn)行需求驗(yàn)證和虛擬驗(yàn)證,保證邏輯的正確性。設(shè)備級產(chǎn)品方案設(shè)計形成后,將模型與實(shí)物數(shù)據(jù)打通,在實(shí)物試驗(yàn)驗(yàn)證之前進(jìn)行半物理仿真集成驗(yàn)證,可完成復(fù)雜工況的試驗(yàn)驗(yàn)證,從而降低成本與風(fēng)險。所有層級產(chǎn)品加工/裝配完成后,層層向上完成試驗(yàn)驗(yàn)證確認(rèn)工作,直至完成整機(jī)級產(chǎn)品確認(rèn),從而達(dá)到批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。
由此提出基于MBSE 的直升機(jī)研發(fā)實(shí)施流程如圖7 所示,圖7 中橫軸表示研制階段,縱軸表示層級遞進(jìn)。根據(jù)HB 8525 —2017 民用飛機(jī)研制程序標(biāo)準(zhǔn)可知,直升機(jī)研制階段分為需求與概念論證、初步設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、試制與驗(yàn)證以及批量生產(chǎn)等5 個階段。每個階段對應(yīng)不同層級的開發(fā)過程,低層級系統(tǒng)設(shè)計完成該層級的設(shè)計工作后,向上集成驗(yàn)證,層層向上,直至整機(jī)級產(chǎn)品確認(rèn)完成,進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。
圖7 基于MBSE 的直升機(jī)研發(fā)實(shí)施流程
基于模型的系統(tǒng)工程方法是優(yōu)化以及規(guī)范日益復(fù)雜的航空設(shè)備研制流程的最佳手段。該文對Harmony SE 方法論進(jìn)行改進(jìn),提出了適用于直升機(jī)系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)的MBSE方法及基于該方法的直升機(jī)研發(fā)實(shí)施流程。該流程提供了規(guī)范化的層級框架,定義了清晰的建模實(shí)施路徑,嚴(yán)格把控了整個研制過程中需求捕獲的準(zhǔn)確性、信息的可追溯性以及功能實(shí)現(xiàn)的邏輯可行性。在型號設(shè)計過程中,保證了需求捕獲的準(zhǔn)確性,有助于型號工作的開展。