摘 要：

基于模型的系統(tǒng)工程 （model-based systems engineering， MBSE） 已被廣泛應用于復雜系統(tǒng)設計之中。通過構建功能、行為和結構之間的關系，提出一種基于MBSE的多層級遞進式架構設計流程。隨后，以高度控制需求為導向，對民機飛行控制系統(tǒng)進行了示例化建模。結果表明，基于MBSE的民機飛行控制系統(tǒng)多層級遞進式架構設計能夠充分發(fā)揮數字模型可重用的優(yōu)勢，保證需求與功能、邏輯和物理架構的緊密結合，提高系統(tǒng)設計的可追溯性，可為后續(xù)領域層階段模型設計提架構參考。

關鍵詞：

基于模型的系統(tǒng)工程; 飛行控制系統(tǒng); 多層級遞進式; 架構設計

中圖分類號：

V 37

文獻標志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.09.17

Design of civil aircraft flight control system architecture based on MBSE

WANG Qian1， ZHENG Dangdang2，*， TONG Ruiting1， HAN Bing1， YANG Xiaohui1

（1. School of Mechanical Engineering， Northwestern Polytechnical University， Xi’an 710072， China;

2. The First Airplane Design Institute of Aviation Industry Corporation， Xi’an 710089， China）

Abstract：

Model-based systems engineering （MBSE） has been widely used in complex system design. A multi-level progressive architecture design process based on MBSE is proposed by constructing the relationship between function， behavior and structure. Subsequently， guided by the demand for altitude control， an example modeling of the civil aircraft flight control system is conducted. The results indicate the multi-level progressive architecture design of civil aircraft flight control system architecture based on MBSE leverages the advantages of reusable digital models， ensuring a close integration of requirements with functional， logical， and physical architecture. Meanwhile， the method improves the traceability of system design and provides a architectural reference for subsequent domain level model design.

Keywords：

model-based systems engineering （MBSE）; flight control system; multi-level progressive; architecture design

0 引 言

飛行控制系統(tǒng)（以下簡稱飛控系統(tǒng)）作為民機的關鍵子系統(tǒng)，承擔著飛行控制、任務管理、人機交互等多層次、多維度的任務［1-2］。傳統(tǒng)的民機飛控系統(tǒng)設計是以文檔、自然語言作為信息交互和數據傳遞的介質。這種方式具有很大局限性：首先，飛控系統(tǒng)作為一種涉及多學科領域的復雜系統(tǒng)，文字的多義性和不同學科領域的專用術語會使得同層次的設計人員難以進行統(tǒng)一規(guī)范的溝通;其次，以文檔作為信息傳遞的手段會使用和產生大量非連續(xù)、非結構化的靜態(tài)數據，造成數據冗余，甚至數據爆炸，無法確保需求和設計的一致性［3-4］。因此，迫切需要引入一種系統(tǒng)工程方法，有效克服上述缺陷，完成民機飛控系統(tǒng)架構設計。

基于模型的系統(tǒng)工程 （model-based systems engineering， MBSE） 是國際系統(tǒng)工程學會為了應對傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程帶來的挑戰(zhàn)，提出的系統(tǒng)工程管理新模式，是對系統(tǒng)工程活動中建模方法應用的正式認同［5］。一方面通過標準系統(tǒng)建模語言 （system modeling laguage， SysML） 構建需求模型、功能模型、邏輯/物理架構模型等，實現需求、功能到邏輯/物理架構的分解和分配;另一方面，通過模型執(zhí)行實現系統(tǒng)需求和功能邏輯的確認和驗證，驅動產品設計、測試、綜合、驗證、確認等環(huán)節(jié)［6］。

近年來，MBSE方法在系統(tǒng)工程領域得到越來越廣泛的關注和應用。歐盟開展了EUROSYSLIB（European Leadership in System Modeling and Simulation through Advanced Modelica Libraries）計劃，致力于建立全歐洲工業(yè)體系共享的系統(tǒng)工程模型庫，截至項目結束，協(xié)作開發(fā)了13個開源模型庫和18個商業(yè)模型庫，覆蓋眾多領域［7］。美國國家航天局將MBSE和可靠性與維護活動相結合，提出基于SysML的航天器控制系統(tǒng)故障管理元模型與建模方法［8］，其下屬研究機構噴氣推進實驗室制定了MBSE應用發(fā)展戰(zhàn)略，目前已在約20個開發(fā)任務的全生命周期中應用MBSE［9］，其中比較著名的任務有SMAP （soil moisture active anel passive） 項目［10］、獵戶座項目［11］、火星2020項目、木衛(wèi)二軌道器［12］、歐羅巴快船項目等［13］。洛克希德·馬丁公司使用MBSE方法構建基于模型的完整航空和防務產品的開發(fā)環(huán)境［14］，且公司所屬潛艇設計團隊在全新潛艇電子系統(tǒng)設計過程中，將設計文檔全部轉化為系統(tǒng)模型，提高問題變更管理效率［15］。意大利芬坎蒂尼船廠在軍艦環(huán)境中采用MBSE方法定義和分析整個軍艦級體系結構，從而生成基于北約體系結構框架的工程視圖［16］。法國阿?，m核工業(yè)公司通過對MBSE的調查與研究，制定出一套特制化標準流程，實現了在項目計劃中成本分析與策劃以及和其他合作伙伴的高效協(xié)作［17］?？湛凸驹谄銩350系列客機設計過程中，采用MBSE方法建立66個仿真模型，用于同供應商和客戶之間傳遞需求確定設計方案［18］。佐治亞理工學院與福特公司探索通過SysML定義汽車的參考架構模型，然后將其自動轉換成Modelica和Simulink仿真模型以進行后續(xù)的分析，使得整個系統(tǒng)模型具有一致性［19］。

國內方面，陳娟等［20］將MBSE方法應用于綜合傳動裝置的需求分析過程，自頂向下捕獲與整車性能相關的綜合傳動裝置及部件需求，并定義其追溯關系，為整車性能匹配與優(yōu)化分析提供方向。高金艷等［21］利用SysML對火星維護與管理裝置進行總體設計，隨后建立從用戶需求到系統(tǒng)邏輯架構和指標能力的需求精化映射矩陣，提高系統(tǒng)設計的可追溯性。武新峰等［22］采用MBSE方法實現運載火箭上升段逃逸救生任務需求模型化，奠定全任務周期數字化設計的基礎［22］。王雨農等［23］采用美國國防部架構框架 （Department of Defense Architecture Framework， DoDAF） 架構和MBSE方法，對民機研制要求進行細化與分解，開發(fā)出信息更加立體的飛機能力模型，指導民用飛機設計。宋羽等［24］采用MBSE方法構建SysML模型用于導彈系統(tǒng)設計和仿真，極大減少了對飛行試驗的依賴，降低研制成本。楊元龍等［25］通過總結船舶動力系統(tǒng)總體設計流程體系頂層框架，提出基于MBSE的船舶動力工程總體正向設計方法，有效支撐船舶動力工程總體論證與設計。彭坤等［26］采用MBSE方法對載人登月飛船系統(tǒng)進行正向設計，實現載人登月飛船系統(tǒng)總體方案的快速迭代，為后續(xù)載人登月飛行器的MBSE應用提供參考。關鋒等［27］針對探月工程數字化研制需求，提出基于模型的探月工程并行協(xié)同設計框架，為探月工程協(xié)同論證的并行協(xié)同環(huán)境建設提供可行解決方案。

本文將MBSE建模思想引入到系統(tǒng)概念設計中，通過構建功能、行為和結構之間的關系，提出一種多層級遞進式架構設計流程。在該流程指導下，以巡航高度控制需求為導向，進行飛控系統(tǒng)建模方法示范和系統(tǒng)頂層架構設計示例。有效克服了傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法所存在的短板，保證需求和架構緊密結合，提高了需求和設計的一致性。

1 基于模型的系統(tǒng)架構設計流程

基于模型的系統(tǒng)架構設計以民機運行需求為驅動，通過各層級功能—行為—結構的映射，黑盒解白，層層遞進，最終完成系統(tǒng)頂層架構模型的構建，其具體流程如圖1所示。

首先，對民機利益相關者進行問卷訪談，捕獲民機運行需求SR，并對SR進行精化，得到民機頂層用例UC;以UC為基礎，開展場景分析，產生實現民機頂層用例的一系列行為元素BE;將行為元素向民機各大系統(tǒng)（例如結構元素DP）進行分配，明確各系統(tǒng)之間的交互關系，并對其進行分析歸納，最終得到民機各系統(tǒng)需求FR1、FR2等。系統(tǒng)需求以民機運行需求SR為導向，是對SR更加具體和專業(yè)的描述，指明了各系統(tǒng)必須要執(zhí)行的功能。對系統(tǒng)需求FR開展場景分析，完成“功能—行為”的映射，并產生系統(tǒng)功能架構;將行為元素向子系統(tǒng)進行分配，完成“行為—結構”的映射，并產生系統(tǒng)邏輯/物理架構。采取上述同樣的“功能—行為—結構”的映射方式，可依次得到分系統(tǒng)，乃至各部件的功能和邏輯/物理架構等模型，并最終梳理出多層級遞進式的架構設計框架。

場景分析是一種創(chuàng)造性思維［28］，通過這種方式，可清楚表述需求是通過怎樣的行為來實現的。在MBSE中，可利用SysML中的用例圖、活動圖、順序圖、狀態(tài)機圖等來進行場景描述。其中，用例是對需求的精化，代表系統(tǒng)名義上的某種運行能力［29］，用例圖則清晰的表示執(zhí)行用例的系統(tǒng)與系統(tǒng)所在環(huán)境中的施動者間的特定交互?；顒訄D、順序圖和狀態(tài)機圖作為SysML的3大動態(tài)行為視圖，基于各自特點，可分別從不同角度對特定交互場景進行具體描述。此過程既可分析衍生出下一層級系統(tǒng)需求，又可產生當前層級功能架構，用以指導邏輯/物理架構的實現。

值得說明的是，本文所提出的多層級遞進式架構設計流程與目前主流建模方法論MagicGrid具有相似之處。MagicGrid將系統(tǒng)設計過程分為問題域、方案域和解決域3個層級，每一層級都進行“需求-功能-邏輯-物理”模型的構建和迭代分析，過程整體來說較為復雜和繁瑣。而本文提出的多層級遞進式架構設計流程，在參考MagicGrid框架的基礎上，重點關注各層級“功能—行為—結構”之間的映射關系，通過場景分析的手段將行為元素作為聯(lián)系各方和層級遞進的樞紐。總體來看，多層級遞進式架構設計流程具有較高靈活性，是對MagicGrid建模思路的精化表述。

2 民機飛控系統(tǒng)架構設計示例

第1節(jié)對民機系統(tǒng)一般架構設計流程進行了概述，第2節(jié)將以此為遵循，進行飛控系統(tǒng)MBSE建模方法的示范和系統(tǒng)架構的設計示例。

2.1 系統(tǒng)需求捕獲與分析

若要進行飛控系統(tǒng)架構設計，需首先將系統(tǒng)融入到民機整體運行場景中開展系統(tǒng)需求的捕獲與分析，并利用SysML構建民機級-系統(tǒng)級需求之間的聯(lián)系，且充分考慮設計過程中所產生的派生需求。

如圖2所示，民機運行上下文明確了民機運行過程中的部分利益相關者。從民機整體視角出發(fā)，與其交互的利益相關者有飛行員、機務人員、空管部門、大氣環(huán)境等。將這一層級的利益相關者期望歸納總結，得到如圖3所示的民機運行需求。圖3中，“Id”標識需求序號，“criticality”標識需求重要性，“Text”標識需求內容。

按一般體系結構，對民機“黑盒解白”，其被分解為飛控系統(tǒng)、慣導系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)等若干邏輯系統(tǒng)。因本文研究對象是飛控系統(tǒng)，所以上述提到的慣導系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、飛行管理系統(tǒng)乃至飛行員等又可看成是飛控系統(tǒng)的外界交互對象。

選擇與飛控系統(tǒng)運行能力密切相關的“高度控制”需求為導向，構建如圖4所示的頂層用例模型。一般情況下，可采用控制升降舵或發(fā)動機推力的方式來控制巡航高度，但控制發(fā)動機推力實際上是通過控制速度來改變巡航高度，屬于間接控制，效果比較微弱，而且速度控制已屬于民機另一種縱向運動方式，不是本文研究目標。所以圖4展示的是完全采用控制升降舵方式來執(zhí)行“穩(wěn)定巡航高度”用例的外部交互者，并不代表采用其他方式在執(zhí)行該用例時，飛控系統(tǒng)有且僅有上述幾個外部交互對象。如圖5所示，以頂層用例模型為指導，對“穩(wěn)定巡航高度”用例場景進行建模。民機機體在受到大氣垂直風干擾后，運行軌跡開始發(fā)生偏離，慣導系統(tǒng)在測量到民機實時軌跡數據后，將其傳送給飛行管理系統(tǒng)。飛行管理系統(tǒng)根據目標軌跡與實時軌跡之間的相對位置關系進行制導律解算，生成俯仰指令。飛控系統(tǒng)在接收到俯仰指令后，結合民機實時俯仰角、俯仰角速率、慣性垂直速度等信息進行控制律解算，生成舵面位移指

令，驅動升降舵偏轉，從而引起民

機的重心位置發(fā)生改變，飛行軌跡開始修正。

通過上述基于“穩(wěn)定巡航高度”用例場景的分析，可以知道飛控系統(tǒng)必須執(zhí)行的行為以及與其交互的外部對象。對其進行分析歸納，最終初步獲得圖6所示的飛控系統(tǒng)需求架構。其主要來源有兩個方面：一是民機級特定運行場景的開發(fā)與分析（見圖5）;二是民機級原始需求的分解與傳遞（見圖7）。圖7所示的需求派生矩陣利用SysML基本元素“DeriveRert”明確了民機級需求與系統(tǒng)需求之間的追溯關聯(lián)關系。特別說明的有以下幾點：一是并非所有的民機級需求都會和飛控系統(tǒng)需求產生派生關聯(lián)（例如民機“導航與制導”需求被分解和傳遞到飛行管理系統(tǒng)）;二是同一條系統(tǒng)需求可能來源于多種途徑（例如系統(tǒng)級“反饋信息監(jiān)測”需求既來自于民機級“狀態(tài)信息監(jiān)測”需求的分解和傳遞，又來自于圖5所示的特定運行場景的開發(fā)與分析）;三是某些民機級需求被傳遞到系統(tǒng)級，成為系統(tǒng)架構設計時的隱性約束（例如民機級“經濟性”、“安全性與可靠性”和“質量控制”等需求）。

2.2 系統(tǒng)邏輯架構設計

以飛控系統(tǒng)需求為導向，對其執(zhí)行的行為“控制律解算，生成相應指令，驅動升降舵偏轉”進一步細化分解，最終得到如圖8所示的飛控系統(tǒng)功能架構。

對飛控系統(tǒng)進行子系統(tǒng)劃分，確保功能架構中的行為有相應子系統(tǒng)進行承載。一般來說，各邏輯子系統(tǒng)劃分的顆粒度大小會隨著不同設計者的習慣和經驗而有所不同，但總前提一致，即各邏輯子系統(tǒng)承載的功能總和要能夠滿足系統(tǒng)需求。本節(jié)遵循飛控系統(tǒng)一般組成結構，將其劃分為控顯分系統(tǒng)、傳感裝置、伺服作動系統(tǒng)和飛控計算機四大邏輯模塊，如圖9所示。

圖10所示的需求精化矩陣具體指明了4大邏輯模塊與系統(tǒng)需求之間的追溯關聯(lián)關系。在確定完系統(tǒng)邏輯組成后，將圖8所示的飛控系統(tǒng)功能架構中的各行為向4大邏輯模塊分配，得到如圖11所示的飛控系統(tǒng)執(zhí)行“穩(wěn)定巡航高度”任務白盒活動圖。飛控計算機根據外部系統(tǒng)提供的俯仰指令、實時俯仰角、慣性垂直速度和俯仰角速率等信息進行控制律解算，生成舵機控制信號和飛行指引指令。其中，舵機控制信號傳遞給伺服作動系統(tǒng)，由其結合傳感裝置反饋的舵面位置等信息，進行信號綜合和轉換，最終產生驅動升降舵偏轉的指令。飛行指引指令則通過控顯分系統(tǒng)反饋給飛行員，由其負責對民機工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。在得到上述白盒活動圖后，通過行為到結構之間的映射，如圖12所示完成飛控系統(tǒng)邏輯架構設計，P為通信端口。系統(tǒng)邏輯架構充分展示了各邏輯分系統(tǒng)之間通過接口進行交聯(lián)的詳細信息，為后續(xù)物理架構的設計提供了重要的架構參考。

2.3 系統(tǒng)物理架構設計

邏輯架構作為需求與實際設計之間的橋梁，并不具備太多物理意義。因此需要對第2.2節(jié)所得的4大邏輯分系統(tǒng)進一步細化分解。這一層級劃分的主要依據是要確保相應物理組件能夠支撐各邏輯分系統(tǒng)行為單元的實現，此處以伺服作動系統(tǒng)為例進行詳細說明。

如圖13所示，依據通用參考架構，伺服作動系統(tǒng)由伺服控制器和伺服作動器組成。其中，伺服控制器既是伺服作動器的控制器，又是作動器實現余度管理、通道故障邏輯轉換以及與飛控計算機接口連接的重要裝置［30］。伺服作動器作為伺服作動系統(tǒng)的執(zhí)行部件，可以實現電氣至機械運動之間的信號轉換，并驅動民機升降舵產生機械運動。根據功能實現方式的不同，伺服作動器目前主要有兩種類型：機電伺服作動器和電液伺服作動器。這兩種類型既繼承了伺服作動器的一般特性，又有其各自獨有特點，故用“泛化”關系表示三者之間的聯(lián)系。

機電伺服作動器將飛控計算機的電信號指令直接轉換為作用在氣動面上的機械動力，其被分解為電機、電機控制器、減速器、執(zhí)行機構（滾珠絲杠機構/齒輪旋轉機構）等物理組件來支持行為單元的實現。電液伺服作動器將控制器的電信號，通過電液轉換裝置按一定的比例轉換成液壓指令信號，該信號驅動液壓動力放大部件，使其輸出具有一定壓力和流量的液壓動力信號，來控制飛機氣動面的偏轉?？紤]到機電伺服作動器存在機械卡死的風險，且本文采用的是控制升降舵的方式來保持巡航高度的穩(wěn)定，升降舵屬于主飛控操縱面，根據一般設計經驗，主控舵面作動系統(tǒng)常選用電液伺服作動器。

在權衡確定完物理組件后，對伺服作動系統(tǒng)所承擔的行為單元“舵機運動，驅動升降舵偏轉”進行“黑盒解白”，得到如圖14所示的伺服作動系統(tǒng)任務執(zhí)行白盒活動圖。伺服控制器的控制電子裝置在接收到來自飛控計算機的舵機控制信號后，結合傳感裝置反饋的舵面位置回輸信號進行控制律解算，生成舵面位移電信號;變換放大器對該信號放大處理后傳送給電液伺服閥進行電液轉換，轉換產生的負載流量與壓力驅動液壓作動筒產生機械運動與功率輸出，從而使得與其相連的升降舵發(fā)生偏轉，飛行軌跡開始修正。

結合伺服作動系統(tǒng)白盒活動圖，通過“行為—結構”的映射，得到如圖15所示的伺服作動系統(tǒng)物理架構。因并未指定各物理組件類型和具體實現技術（例如電液伺服閥是選用流量伺服閥還是壓力伺服閥），所以此處物理架構僅是參考物理架構，類似于產品族概念。

特別強調的是，與飛控系統(tǒng)級類似，伺服作動分系統(tǒng)級也是按照“功能—行為—結構”的流程進行架構設計，但由于篇幅原因，本文并未嚴格按照該流程進行一一贅述。只是將伺服作動系統(tǒng)的部分設計工作融入到飛控系統(tǒng)級，延申為該級的物理架構。因為多層次遞進式架構設計本身也是為了通過“民機級—系統(tǒng)級—分系統(tǒng)級”層層推演的手段，最終獲得實現民機運行需求的頂層參考物理架構，為后續(xù)領域層模型的建立提供重要的架構參考。

3 結 論

本文針對傳統(tǒng)的飛控系統(tǒng)設計過程中所存在的自然語言二義性、需求和設計之間追溯不明確等問題，提出了一種多層級遞進式的MBSE架構設計方法，該方法基于SysML語言建立數字化模型，通過構建各層級功能、行為和結構之間的關系，黑盒解白，層層遞進，最終完成系統(tǒng)頂層架構設計。此外，該方法還搭建起各層設計之間的可追溯性鏈接，使得每一步設計都以最初的頂層需求為準則，確保需求和設計的一致性。

本文采用上述方法，以巡航高度控制需求為導向，完成了架構的設計示例，在實踐過程中該方法體現出諸多優(yōu)點：

（1） 多層級遞進式架構設計流程提供了清晰的思路框架，使得建模過程規(guī)范化，減少了設計過程中由于經驗不足而產生的重復工作。

（2） 充分發(fā)揮SysML模型可重用的優(yōu)勢。建模過程中，構成系統(tǒng)模型的模型元素以及它們之間的相互關系均存儲在模型庫中，原先包含在文檔中的規(guī)范、設計、分析等信息，可從模型庫中直接提取，極大方便了后續(xù)的設計開發(fā)。

（3） 分別從動態(tài)行為和靜態(tài)結構兩個視角展現了飛控系統(tǒng)頂層架構，且動態(tài)行為模型具有仿真驗證功能，以初步判定系統(tǒng)執(zhí)行邏輯性是否符合用戶預期。

因此，本文提出的多層級遞進式的MBSE架構設計方法相較于傳統(tǒng)的基于文檔的系統(tǒng)工程方法具有明顯優(yōu)勢，在實例模型構建中已初步顯現。該方法邏輯性和適用性都較強，在飛控系統(tǒng)等一系列復雜系統(tǒng)的設計過程中具有很好的應用前景。

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作者簡介

王 乾（1998—），男，碩士研究生，主要研究方向為MBSE數字化建模技術。

鄭黨黨（1986—），男，高級工程師，博士，主要研究方向為計算機輔助設計、產品生命周期管理、MBSE應用技術。

佟瑞庭（1981—），男，副教授，博士，主要研究方向為MBSE、數字孿生技術。

韓 冰（1981—），男，副研究員，博士，主要研究方向為平臺研發(fā)、MBSE應用技術。

楊小輝（1970—），男，副教授，博士，主要研究方向為嵌入式軟件設計、MBSE應用技術。