陳志兵, 鄔 恒, 羅戰(zhàn)虎, 王建國(guó)

(1. 中國(guó)特種飛行器研究所, 湖北 荊門(mén) 448035; 2. 航空工業(yè)信息技術(shù)中心, 北京 100028)

0 引 言

對(duì)流層飛艇是一種適應(yīng)對(duì)流層環(huán)境、輕于空氣、由動(dòng)力推進(jìn)并可操縱的航空器。與傳統(tǒng)概念的飛行器借助機(jī)翼或者旋翼與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的升力不同,飛艇主要依靠輕質(zhì)氣體產(chǎn)生凈浮力進(jìn)行飛行,因此飛艇具有能耗低、滯空時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)[1]。

飛艇的研制流程與傳統(tǒng)航空器一樣,主要分為探索研究階段、概念階段、設(shè)計(jì)階段、生產(chǎn)階段、使用階段和退役階段[2]。其中,概念階段發(fā)生在產(chǎn)品全生命周期的早期,主要承擔(dān)快速闡明需求、探索解決方案、制定運(yùn)行概念并初步得出物理解決方案的任務(wù),是后續(xù)型號(hào)設(shè)計(jì)、制造和投入商業(yè)運(yùn)行能否成功的前提與關(guān)鍵[3]。在概念階段,運(yùn)行概念作為重要組成部分和主要輸出,是連接利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范之間的橋梁[4-6]。其以利益攸關(guān)者的需求、系統(tǒng)目標(biāo)和關(guān)鍵假設(shè)為出發(fā)點(diǎn),使用概念的形式體現(xiàn)系統(tǒng)和系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程,并且能為后期系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)(硬件、軟件、人力、材料、流程等) 提供參考和支持[7]。

在當(dāng)前的工程實(shí)踐中,對(duì)流層飛艇的運(yùn)行概念主要使用文本文檔的形式進(jìn)行描述。這種傳統(tǒng)方法在以往的工作中發(fā)揮了很大的作用,但是在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中還存在著以下問(wèn)題:

(1) 傳統(tǒng)基于文本描述的設(shè)計(jì)文檔一致性較差,溝通效率較低且容易產(chǎn)生歧義,往往不能精確描述系統(tǒng)特征和運(yùn)行場(chǎng)景。尤其是在飛艇牽引起飛、返場(chǎng)著陸等復(fù)雜場(chǎng)景中,文本文檔往往不能清晰梳理各對(duì)象之間的交互關(guān)系與執(zhí)行邏輯。

(2) 運(yùn)行概念作為連接利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范之間的橋梁,文本文檔形式難以保證利益攸關(guān)者需求和對(duì)流層飛艇架構(gòu)設(shè)計(jì)之間的同步更新和設(shè)計(jì)可追溯性。這些限制通常會(huì)導(dǎo)致效率低下和質(zhì)量問(wèn)題,而這些問(wèn)題往往只有在系統(tǒng)集成和測(cè)試階段才會(huì)暴露[8]。

(3) 可驗(yàn)證性差。運(yùn)行概念的交付物以靜態(tài)的文本形式進(jìn)行呈現(xiàn),缺乏相應(yīng)手段對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景的執(zhí)行邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。運(yùn)行概念模型的評(píng)定更多依靠設(shè)計(jì)人員的歷史經(jīng)驗(yàn)與直覺(jué),缺乏客觀的評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

針對(duì)基于文本的運(yùn)行概念開(kāi)發(fā)的局限性,本文引入基于模型的系統(tǒng)工程(model-based system engineering, MBSE)的建模方法。MBSE 是一種對(duì)建模的形式化應(yīng)用,以支持從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始并貫穿整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)[9]。MBSE不專(zhuān)注于解決具體學(xué)科的設(shè)計(jì)問(wèn)題,而是強(qiáng)調(diào)面向系統(tǒng)工程過(guò)程的建模,將需求、分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證等過(guò)程中涉及的要素模型化并有機(jī)聯(lián)系在一起,保持了全生命周期系統(tǒng)信息的一致性與可追溯性。

在航空領(lǐng)域,學(xué)者引入MBSE方法并將其應(yīng)用于概念分析[10-11]、需求分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)[12-18]、關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)[19-24]等領(lǐng)域,這些成果表明MBSE相比傳統(tǒng)基于文本的系統(tǒng)工程在需求捕獲與驗(yàn)證、保持設(shè)計(jì)一致性、復(fù)雜系統(tǒng)建模等方面具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

本文將MBSE的建模方法引入到對(duì)流層飛艇的運(yùn)行概念研究中,通過(guò)系統(tǒng)建模語(yǔ)言(system modeling language, SysML)搭建運(yùn)行概念模型并與利益攸關(guān)者需求建立關(guān)聯(lián)關(guān)系,從而達(dá)到精確、可追溯和可驗(yàn)證的建模目的。本文首先識(shí)別并捕獲完整的利益攸關(guān)者與利益攸關(guān)者需求,并定義系統(tǒng)用例,以此建立用例與利益攸關(guān)者需求的關(guān)聯(lián)關(guān)系;然后以飛艇的航測(cè)航拍用例為例,基于Rhapsody軟件建立飛艇運(yùn)行場(chǎng)景分析模型;最后基于任務(wù)狀態(tài)機(jī)圖對(duì)運(yùn)行概念模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1 基于MBSE的對(duì)流層飛艇運(yùn)行概念設(shè)計(jì)流程

相比于基于文本的系統(tǒng)工程,MBSE并不會(huì)改變概念階段的方法流程,最大的差別是交付物由文本轉(zhuǎn)化為模型。根據(jù)系統(tǒng)工程原理與民機(jī)研制概念階段工作要求[25-28],得出基于MBSE的對(duì)流層飛艇運(yùn)行概念設(shè)計(jì)流程,如圖1所示。

圖1 基于MBSE的對(duì)流層飛艇運(yùn)行概念設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design process of concept of operation for tropospheric airship based on MBSE

基于MBSE的對(duì)流層飛艇運(yùn)行概念設(shè)計(jì)流程主要分為如下3個(gè)部分。

(1) 確定利益攸關(guān)者需求。利益攸關(guān)者需求是飛艇前期論證與后續(xù)設(shè)計(jì)制造的最原始輸入,是保證后續(xù)型號(hào)研制能否成功的基礎(chǔ)。本文基于以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和面向供應(yīng)鏈過(guò)程的利益攸關(guān)者模型,確定所有利益攸關(guān)者并構(gòu)建需求清單。

(2) 定義系統(tǒng)用例與外部接口。用例是圍繞飛艇利益攸關(guān)者需求的凝煉,描述了飛艇如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)的核心功能。通過(guò)對(duì)上文利益攸關(guān)者需求清單和系統(tǒng)外界交互關(guān)系的綜合分析,確定飛艇運(yùn)行的用例模型與外部接口。

(3) 展開(kāi)用例場(chǎng)景分析,建立描述飛艇黑盒視角的模型視圖并對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證。基于飛艇用例與外部接口,對(duì)飛艇運(yùn)行過(guò)程中最主要的場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì)建模,最后基于狀態(tài)機(jī)視圖確認(rèn)和驗(yàn)證運(yùn)行場(chǎng)景的正確性與完整性。

2 基于用例的對(duì)流層飛艇需求分析

2.1 需求分析

本文目的是設(shè)計(jì)一款執(zhí)行航測(cè)航拍任務(wù)的對(duì)流層無(wú)人飛艇(簡(jiǎn)稱(chēng)“無(wú)人飛艇”)。依據(jù)供應(yīng)鏈中的上下游關(guān)系,確定利益攸關(guān)者主要包括投資方、適航局方、用戶(hù)和運(yùn)營(yíng)保障。結(jié)合以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)與用戶(hù)需求座談會(huì)研討成果確定利益攸關(guān)者需求共125項(xiàng),部分清單如表1所示。完整清單在需求管理軟件DOORS中進(jìn)行統(tǒng)一管理。

表1 利益攸關(guān)者需求清單Table 1 List of stakeholder requirements

2.2 定義外部接口與用例

用例作為利益攸關(guān)者需求的高度提煉,內(nèi)涵是對(duì)無(wú)人飛艇關(guān)鍵需求與頂層目標(biāo)的描述,在無(wú)人飛艇全生命周期中包括運(yùn)行類(lèi)用例、制造類(lèi)用例、維護(hù)支持類(lèi)用例、退役報(bào)廢類(lèi)用例等。本文研究的是無(wú)人飛艇運(yùn)行概念模型,在整個(gè)使用周期中主要有架設(shè)安裝、航測(cè)航拍任務(wù)、艇庫(kù)停放、無(wú)人飛艇回收、試驗(yàn)試飛等流程,綜合利益攸關(guān)者需求清單,排除涉及利益攸關(guān)者需求較少的運(yùn)行用例,將工作重點(diǎn)集中于航測(cè)航拍、艇庫(kù)停放、架設(shè)與回收3個(gè)主要用例。

根據(jù)已確定用例與國(guó)內(nèi)外無(wú)人飛艇的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),確定無(wú)人飛艇運(yùn)行過(guò)程中全部用例參與者,其具體職責(zé)分工如表2所示。

表2 用例參與者清單及其職責(zé)劃分Table 2 List of use case participants and responsibility division

續(xù)表2Continued Table 2

結(jié)合用例參與者的職責(zé)劃分建立頂層用例視圖,如圖2所示。用例圖通過(guò)描述系統(tǒng)用例和用例參與者之間的交互來(lái)“捕捉”無(wú)人飛艇的利益攸關(guān)者需求。

圖2 運(yùn)行概念用例圖Fig.2 Use case diagrams for concept of operation

2.3 關(guān)聯(lián)利益攸關(guān)者需求到系統(tǒng)用例

用例作為利益攸關(guān)者需求清單的高度凝煉,也是后續(xù)場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。為了保證運(yùn)行概念模型設(shè)計(jì)的可追溯性,需建立利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)用例的關(guān)聯(lián)關(guān)系。首先,DOORS軟件通過(guò)Rhapsody Gateway集成接口將利益攸關(guān)者需求導(dǎo)入到Rhapsody項(xiàng)目中的RequirementsPkg下。然后,使用Rhapsody SE-Toolkit的功能Create Dependency關(guān)聯(lián)到用例[29]。利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)用例的關(guān)聯(lián)關(guān)系視圖如圖3所示。利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)用例的關(guān)聯(lián)關(guān)系通過(guò)用例與需求條目之間建立〈trace〉關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn),縱向代表著利益攸關(guān)者需求,橫向代表著無(wú)人飛艇用例,兩者通過(guò)帶虛線的箭頭建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

圖3 關(guān)聯(lián)利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)用例Fig.3 Correlation of stakeholders’ requirements and use case

3 無(wú)人飛艇運(yùn)行概念建模與需求驗(yàn)證

3.1 無(wú)人飛艇運(yùn)行概念場(chǎng)景設(shè)計(jì)

針對(duì)航測(cè)航拍、艇庫(kù)停放、架設(shè)與回收3個(gè)用例,以其中最核心的航測(cè)航拍用例為例,開(kāi)展運(yùn)行場(chǎng)景分析。對(duì)流層無(wú)人飛艇在執(zhí)行航測(cè)航拍任務(wù)時(shí)首先在艇庫(kù)安裝光電轉(zhuǎn)塔、高清可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀等任務(wù)設(shè)備。然后,將無(wú)人飛艇從艇庫(kù)牽引至起降場(chǎng)地垂直起飛至起飛至安全距離,進(jìn)而爬升至任務(wù)高度飛行并逐漸進(jìn)入巡航狀態(tài)。接著,無(wú)人飛艇按預(yù)定航路或選定航路飛行,保持巡航速度,飛至指定目標(biāo)空域進(jìn)行航測(cè)航拍。任務(wù)完成后,無(wú)人飛艇返回起降場(chǎng)地上方,下滑飛行至安全離地高度,垂直降落。

航測(cè)航拍用例由多個(gè)場(chǎng)景構(gòu)成,通常包括正常場(chǎng)景與異常場(chǎng)景。其中,異常場(chǎng)景描述的是非正常場(chǎng)景,如在起飛階段或者執(zhí)行航測(cè)航拍任務(wù)階段若出現(xiàn)通訊中斷、關(guān)鍵系統(tǒng)故障等情況,無(wú)人飛艇不能繼續(xù)飛行,地面站與總指揮根據(jù)突發(fā)情況類(lèi)別執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案,無(wú)人飛艇會(huì)切換至自主飛行模式,實(shí)施緊急迫降。詳細(xì)的運(yùn)行階段任務(wù)劃分如表3所示。

表3 任務(wù)階段劃分Table 3 Task phase division

續(xù)表3Continued Table 3

根據(jù)航測(cè)航拍任務(wù)的階段劃分,建立無(wú)人飛艇航測(cè)航拍的活動(dòng)圖。主活動(dòng)圖如圖4所示,主要分為艇庫(kù)內(nèi)準(zhǔn)備、飛艇出庫(kù)、飛行前準(zhǔn)備、起飛、任務(wù)飛行、返航降落、系留入庫(kù)7個(gè)階段。

圖4 航測(cè)航拍任務(wù)主活動(dòng)圖Fig.4 Main activity diagram of aerial survey and photography task

與直升機(jī)、固定翼飛機(jī)在地勤準(zhǔn)備結(jié)束后飛行機(jī)組獨(dú)立執(zhí)行升降操作不同,無(wú)人飛艇需要大量的地面運(yùn)營(yíng)人員和設(shè)施設(shè)備來(lái)協(xié)助完成牽引、系留和降落等工作。同時(shí),無(wú)人飛艇主要依靠靜浮力進(jìn)行飛行,速度較慢且囊體體積巨大,因此無(wú)人飛艇對(duì)環(huán)境變化異常敏感,氣象適應(yīng)性較弱?；诖?本節(jié)主要針對(duì)無(wú)人飛艇牽引出庫(kù)、任務(wù)飛行兩個(gè)階段進(jìn)行詳細(xì)分析。

在庫(kù)內(nèi)準(zhǔn)備工作完成以后,無(wú)人飛艇準(zhǔn)備出庫(kù)。首先,將起落架調(diào)整為自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài),系留塔上的頭錐鎖處于水平面360°自由旋轉(zhuǎn),并確認(rèn)無(wú)人飛艇出庫(kù)時(shí)風(fēng)速不大于5 m/s;然后,牽引系留車(chē)以不大于5 km/h的行進(jìn)速度牽引無(wú)人飛艇出庫(kù),并在牽引過(guò)程中保持勻速行駛;在出庫(kù)過(guò)程中,地面組長(zhǎng)需時(shí)刻觀察風(fēng)速風(fēng)向與艇體姿態(tài),并根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向情況,指揮拉繩員和吊艙扶艙員控制無(wú)人飛艇方向;最后,牽引無(wú)人飛艇到達(dá)指定位置后,柔和停車(chē),詳細(xì)工作如圖5所示?；顒?dòng)圖通過(guò)活動(dòng)對(duì)事件、能力和數(shù)據(jù)流進(jìn)行建模,使用控制節(jié)點(diǎn)控制活動(dòng)的執(zhí)行,通過(guò)Actor-pin(特殊的對(duì)象節(jié)點(diǎn))表示動(dòng)作的輸入和輸出。

圖5 無(wú)人飛艇出庫(kù)活動(dòng)圖Fig.5 Activity diagram of the unmanned airship of boathouse outbound

任務(wù)飛行階段是完成航測(cè)航拍的關(guān)鍵,也是評(píng)判無(wú)人飛艇研制是否成功的最重要標(biāo)志。在無(wú)人飛艇的爬升達(dá)到任務(wù)速度與高度以后,無(wú)人飛艇保持速度按照規(guī)劃路線進(jìn)入目標(biāo)區(qū)域開(kāi)始航測(cè)航拍任務(wù)。無(wú)人飛艇一旦發(fā)生嚴(yán)重故障或與地面通訊中斷,就會(huì)立即執(zhí)行緊急預(yù)案,并中斷任務(wù),進(jìn)行緊急迫降。在正常狀態(tài)下,無(wú)人飛艇會(huì)依據(jù)獲取的地面控制站指令,切換自主飛行和地面站控制兩種飛行模式,依靠舵面、副氣囊、發(fā)動(dòng)機(jī)等系統(tǒng)控制執(zhí)行轉(zhuǎn)彎、爬升、下降等機(jī)動(dòng)動(dòng)作。詳細(xì)過(guò)程的任務(wù)飛行時(shí)序圖如圖6所示。時(shí)序圖由垂直的生命線構(gòu)成,能直觀描述角色與用例之間按時(shí)間順序的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系[30-31]。圖6詳細(xì)描述了無(wú)人飛艇在飛行任務(wù)中面對(duì)不同狀況的運(yùn)行場(chǎng)景。

圖6 任務(wù)飛行時(shí)序圖Fig.6 Sequence diagram of mission flight

3.2 基于狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行概念執(zhí)行與需求驗(yàn)證

第3.1節(jié)基于活動(dòng)圖、時(shí)序圖和內(nèi)部塊圖完成了無(wú)人飛艇的運(yùn)行場(chǎng)景設(shè)計(jì),本節(jié)通過(guò)運(yùn)行場(chǎng)景的狀態(tài)機(jī)視角,對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景的執(zhí)行邏輯進(jìn)行驗(yàn)證。狀態(tài)機(jī)圖不同于活動(dòng)圖、時(shí)序圖等行為圖,其關(guān)注系統(tǒng)如何根據(jù)隨時(shí)間發(fā)生的事件改變狀態(tài)。模型通過(guò)遍歷運(yùn)行中的所有功能邏輯分支,判斷狀態(tài)跳轉(zhuǎn)是否合理和符合條件、特情處置是否基于狀態(tài)機(jī)運(yùn)行,以此驗(yàn)證運(yùn)行場(chǎng)景模型的邏輯正確性與操作完整性。

遍歷狀態(tài)機(jī)模型的另一個(gè)目的是驗(yàn)證利益攸關(guān)者需求的完整性。但隨著模型的細(xì)化,前文利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)用例的關(guān)聯(lián)關(guān)系已不能滿(mǎn)足需求驗(yàn)證的要求,需將時(shí)序圖下操作和狀態(tài)機(jī)圖下?tīng)顟B(tài)與系統(tǒng)用例承接的利益攸關(guān)者需求建立更加細(xì)化的〈trace〉關(guān)系,以通過(guò)狀態(tài)機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證需求實(shí)現(xiàn)。部分操作和狀態(tài)與需求清單的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖7所示。

在整個(gè)航測(cè)航拍運(yùn)行過(guò)程中,各類(lèi)事件對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生影響的嚴(yán)重程度可以分為2級(jí),即災(zāi)難性的(Ⅰ級(jí))、嚴(yán)重的(Ⅱ級(jí))。本節(jié)選取任務(wù)飛行過(guò)程無(wú)人飛艇發(fā)生Ⅰ級(jí)事故——地面控制站與飛艇數(shù)據(jù)通信功能喪失,展示整個(gè)特情處理與需求驗(yàn)證流程。

任務(wù)飛行階段狀態(tài)機(jī)圖主要分為3個(gè)部分:航測(cè)航拍、系統(tǒng)故障診斷、通訊。① 航測(cè)航拍是無(wú)人飛艇運(yùn)行的主要目的,主要分為捕獲對(duì)象、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸?shù)茸訝顟B(tài)。在任務(wù)正常結(jié)束后,進(jìn)入下一階段;② 系統(tǒng)故障診斷主要是在飛行過(guò)程中,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力、電源、控制等各個(gè)分系統(tǒng)的狀態(tài)。在發(fā)生故障時(shí),根據(jù)故障等級(jí)與類(lèi)型采取相應(yīng)的應(yīng)急措施;③ 通訊部分主要是在通訊正常的情況下,通過(guò)獲取地面站命令、選擇飛行模式、生成控制指令,以發(fā)動(dòng)機(jī)、副氣囊、舵面等控制無(wú)人飛艇完成相應(yīng)的動(dòng)作。而在通訊失效時(shí),無(wú)人飛艇則會(huì)進(jìn)入失聯(lián)自動(dòng)控制程序,隨后進(jìn)行緊急迫降。

因航測(cè)航拍場(chǎng)景過(guò)于復(fù)雜,以上活動(dòng)圖與時(shí)序圖只對(duì)任務(wù)中的部分階段進(jìn)行了呈現(xiàn),接下來(lái)借助內(nèi)部塊圖(見(jiàn)圖8),以全視圖視角展示航測(cè)航拍用例與外界的交互關(guān)系。

執(zhí)行狀態(tài)機(jī)圖如圖9所示,在任務(wù)飛行執(zhí)行航測(cè)航拍任務(wù)時(shí),地面控制站與飛艇數(shù)據(jù)通信功能喪失,無(wú)人飛艇進(jìn)入失聯(lián)自動(dòng)控制狀態(tài)。

與此同時(shí),地面總指揮注意到地面控制站在預(yù)定時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)沒(méi)有更新,且指令上行沒(méi)有任何響應(yīng)或者飛控計(jì)算機(jī)在連續(xù)若干周期內(nèi)都沒(méi)有收到上行數(shù)據(jù)時(shí),會(huì)判定地面控制站與無(wú)人飛艇的數(shù)據(jù)通信功能已經(jīng)失效,然后立刻通知空管部門(mén),報(bào)告故障情況。同時(shí),總指揮利用故障前航線信息,判斷無(wú)人飛艇的自動(dòng)返航路徑及時(shí)間,并設(shè)置多個(gè)觀察崗位,目視觀察飛艇動(dòng)向,在確定無(wú)人飛艇可能降落的地點(diǎn)以后,組織地面人員迅速前往并報(bào)告消防力量請(qǐng)求援助,具體如圖10所示。

通過(guò)起飛階段的狀態(tài)機(jī)執(zhí)行,驗(yàn)證了該無(wú)人飛艇系統(tǒng)滿(mǎn)足任務(wù)飛行、飛行控制和應(yīng)急情況處理等利益攸關(guān)者需求。結(jié)合現(xiàn)有的利益攸關(guān)者需求清單與起飛過(guò)程狀態(tài)分析結(jié)果,可進(jìn)一步補(bǔ)充和完善通訊備份、自主控制飛行與降落等相關(guān)需求,從而不斷迭代運(yùn)行概念模型與利益攸關(guān)者需求清單,直至兩者達(dá)到最優(yōu)狀態(tài),為后續(xù)確定設(shè)計(jì)方案提供參考。

圖7 關(guān)聯(lián)利益攸關(guān)者需求與狀態(tài)機(jī)圖Fig.7 Diagram of correlation of stakeholder requirements and state machine diagram

圖8 航測(cè)航拍用例接口與端口Fig.8 Interface and port of aerial survey and photography use case

圖10 通訊失效時(shí)總指揮狀態(tài)機(jī)圖模型執(zhí)行動(dòng)畫(huà)展示Fig.10 Animation display of the overall command state machine diagram model execution in case of communication failure

3.3 模型優(yōu)勢(shì)

在對(duì)流層無(wú)人飛艇運(yùn)行概念分析過(guò)程中,本文使用模型代替文本,建立了可追溯到利益攸關(guān)者需求的運(yùn)行場(chǎng)景模型,并基于狀態(tài)機(jī)圖對(duì)運(yùn)行場(chǎng)景執(zhí)行邏輯和需求的正確性與完整性進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法有效解決了傳統(tǒng)基于文本描述方法存在的問(wèn)題:

(1) 通過(guò)Gateway模塊,集成DOORS與Rhapsody軟件接口,建立了利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)用例的追蹤關(guān)聯(lián)關(guān)系,保證了運(yùn)行概念分析對(duì)利益攸關(guān)者需求的設(shè)計(jì)可追溯性。

(2) 針對(duì)文本描述設(shè)計(jì)一致性較差、容易產(chǎn)生歧義等問(wèn)題,本文使用SysML半形式化圖形建模語(yǔ)言,基于活動(dòng)圖、時(shí)序圖、內(nèi)部塊圖等不同視角全面、立體地描述無(wú)人飛艇的運(yùn)行場(chǎng)景。

(3) 通過(guò)運(yùn)行對(duì)流層無(wú)人飛艇運(yùn)行概念狀態(tài)機(jī)模型,驗(yàn)證了無(wú)人飛艇在運(yùn)行過(guò)程中操作流程的正確性,解決了靜態(tài)文本缺乏驗(yàn)證手段的局限性。同時(shí),在狀態(tài)執(zhí)行中,結(jié)合面臨的實(shí)際問(wèn)題可進(jìn)一步完善補(bǔ)充利益攸關(guān)者需求清單。

4 結(jié) 論

本文將MBSE方法引入對(duì)流層無(wú)人飛艇運(yùn)行概念研究中,重點(diǎn)探討了傳統(tǒng)基于文本的運(yùn)行概念研究方法的局限性與MBSE方法的優(yōu)勢(shì),提出了基于MBSE的對(duì)流層無(wú)人飛艇運(yùn)行概念模型設(shè)計(jì)流程。首先,通過(guò)供應(yīng)鏈中上下游關(guān)系識(shí)別利益攸關(guān)者并建立利益攸關(guān)者需求清單,并與系統(tǒng)用例建立追蹤關(guān)聯(lián)關(guān)系。然后,基于活動(dòng)圖與時(shí)序圖進(jìn)一步細(xì)化用例,建立無(wú)人飛艇航測(cè)航拍運(yùn)行場(chǎng)景模型。最后,建立狀態(tài)機(jī)圖,通過(guò)地面控制站與飛艇數(shù)據(jù)通信功能喪失的特情處理流程動(dòng)態(tài)演示,驗(yàn)證運(yùn)行模型的執(zhí)行邏輯,并進(jìn)一步驗(yàn)證與完善了利益攸關(guān)者需求。

本文提出的基于MBSE的對(duì)流層無(wú)人飛艇運(yùn)行概念模型設(shè)計(jì)方法,使用模型代替文本,往上承接利益攸關(guān)者需求,往下通過(guò)運(yùn)行狀態(tài)機(jī)圖遍歷運(yùn)行中所有功能邏輯分支以進(jìn)一步補(bǔ)充完善需求,較好地解決了之前方法所帶來(lái)的難以保證設(shè)計(jì)可追溯性、精確性較差、方案驗(yàn)證較難等問(wèn)題,并且該方法邏輯性、適用性和可行性較強(qiáng),可適當(dāng)推廣至其他系統(tǒng)的運(yùn)行概念分析過(guò)程。