基于模型的系統(tǒng)工程在機載電子系統(tǒng)領(lǐng)域的應用

中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所 白 潔 呂 偉 張 磊 鄧廣宗

機載電子系統(tǒng)關(guān)系到飛機的安全性、可靠性、先進性和成本, 是飛機上最重要的子系統(tǒng)之一。機載電子系統(tǒng)涉及網(wǎng)絡(luò)、電子、控制等多個領(lǐng)域，具有高度復雜性、綜合性等特點。在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，文檔是數(shù)據(jù)在產(chǎn)品設(shè)計、制造、驗證、生產(chǎn)各階段傳遞的核心，各個構(gòu)型項獨立設(shè)計，再進行集成驗證，這種設(shè)計方法存在以下問題：一是缺少對系統(tǒng)層架構(gòu)的仿真和驗證，導致產(chǎn)品缺陷無法通過后期更改來彌補，產(chǎn)品設(shè)計迭代次數(shù)多；二是文檔規(guī)模大、版本多，技術(shù)狀態(tài)不容易控制；三是缺少多物理場的耦合仿真分析，仿真驗證在各領(lǐng)域獨立進行，且只是在產(chǎn)品詳細設(shè)計階段進行，很少在需求分析及初步設(shè)計階段進行系統(tǒng)功能及行為仿真；四是軟硬件在優(yōu)化設(shè)計時，只考慮了其本身參數(shù)的優(yōu)化，而電子、軟件、控制等參數(shù)間的相互影響關(guān)系很難在后期優(yōu)化設(shè)計中實現(xiàn)。因此目前傳統(tǒng)的開發(fā)方法已無法滿足市場需要。

基于模型的系統(tǒng)工程體系結(jié)構(gòu)

1 基本概念

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）的基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程，系統(tǒng)工程是實現(xiàn)成功系統(tǒng)的一個跨學科方法，其思想體現(xiàn)了自頂向下的分解和自底向上的綜合，系統(tǒng)工程“V形”圖見圖1。系統(tǒng)工程師完成系統(tǒng)的分解和系統(tǒng)集成，通過用戶需求分析、系統(tǒng)功能分析、設(shè)計方案權(quán)衡和仿真驗證，形成系統(tǒng)初步方案。同時將系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)或部件，形成部件級或子系統(tǒng)級需求，并將這些需求作為下一層次的開發(fā)任務(wù)分配到不同的研制單位，各單位根據(jù)不同專業(yè)特點對分系統(tǒng)進行詳細的研究和設(shè)計。

圖1 系統(tǒng)工程開發(fā)V型圖

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法只適用于系統(tǒng)組成部分可分解的結(jié)構(gòu)性復雜項目，對于機載電子系統(tǒng)項目，現(xiàn)今均采用了大量的軟件和復雜的硬件平臺，同時系統(tǒng)綜合方式、配套關(guān)系等發(fā)生了重大變化，使傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法已無法解決；其次，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程關(guān)注各物理域內(nèi)部影響及優(yōu)化，因而無法關(guān)注產(chǎn)品內(nèi)部子部件/系統(tǒng)之間的關(guān)系及相互作用 。研發(fā)人員必須尋找適應目前及未來機載電子系統(tǒng)發(fā)展的新途徑和新方法[1-2]。

基于以上情況，基于模型的系統(tǒng)工程應運而生。MBSE主要根據(jù)系統(tǒng)工程從需求到系統(tǒng)、子系統(tǒng)、組件以及實現(xiàn)之間的分解關(guān)系，通過定義型號研制各個階段（如用戶需求、系統(tǒng)要求和結(jié)構(gòu)、分系統(tǒng)設(shè)計、部件設(shè)計、部件制造等）的模型，實現(xiàn)產(chǎn)品研制過程和信息基于模型的管理，并在此基礎(chǔ)上建立了基于模型的系統(tǒng)工程機制[2]，其信息邏輯模型如圖2所示。

2 基本結(jié)構(gòu)

目前世界不同組織及行業(yè)針對復雜產(chǎn)品形成了多種MBSE方法論或最佳實踐，其中IBM TELELOGIC的Harmony-SE在航空航天領(lǐng)域最為著名。Harmony-SE是大型綜合系統(tǒng)和軟件開發(fā)流程的子集。Harmony-SE和Harmony的開發(fā)起源于I-Logix公司，前身是嵌入式市場中建模工具的主要提供者，所以更適合機載電子系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)，而基于IBM Harmony系統(tǒng)工程開發(fā)流程的Rhapsody工具，是目前業(yè)界應用較廣的MBSE平臺。其用戶包括EADS旗下的空客和軍機部門以及MBDA[3-4]。

Harmony 流程在某種程度上反映出了系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)典“V形”生命周期開發(fā)模型，此流程假定模型和需求被保持在集中的模型/需求庫中。如圖3所示，Harmony系統(tǒng)工程組件在總體設(shè)計方面具有以下目標：（1）需求分析：識別所要求的系統(tǒng)功能。（2） 系統(tǒng)功能分析：識別相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)。（3） 架構(gòu)設(shè)計：系統(tǒng)功能分配到物理架構(gòu)。

在部件分析和設(shè)計過程中，存在不同的設(shè)計領(lǐng)域，其“模型”具有不同的含義。對于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計人員，MBSE指的是通過CAD軟件建立的三維模型；對于仿真控制設(shè)計人員，其MBSE指的是通過Amsim或Matlab等工具構(gòu)建的被控對象模型。

Harmony-SE將“服務(wù)驅(qū)動”的建模方法和系統(tǒng)建模語言（SysMLTM）相結(jié)合，使用方框作為基本結(jié)構(gòu)元素，并通過SysML結(jié)構(gòu)圖描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，Harmony-SE流程元素圖提供了詳細的任務(wù)流和工作產(chǎn)物。

圖2 MBSE信息模型

實現(xiàn)與實例

基于模型的系統(tǒng)工程需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計方法在機載電子系統(tǒng)設(shè)計中得到了初步應用，現(xiàn)以某發(fā)動機數(shù)字式電子控制系統(tǒng)為例，描述MBSE方法的應用場景。該系統(tǒng)主要應用于飛機應急動力控制，其主要功能為當飛機主動力發(fā)生故障時，通過該系統(tǒng)控制應急動力，并帶動輔助發(fā)電機工作，滿足全機應急條件下的電功率、液壓功率。本實例重點對系統(tǒng)及架構(gòu)設(shè)計進行描述。

1 需求分析

需求分析的主要工作是對用戶要求進行捕獲以形成系統(tǒng)頂層需求并建立系統(tǒng)用例模型，需求捕獲不只是在短時間內(nèi)要了解用戶的需求，更應該站在用戶的角度了解其潛在需求。對于復雜系統(tǒng)必須建立用例模型幫助用戶梳理需求，確定系統(tǒng)邊界和環(huán)境，避免需求被開發(fā)人員誤解。需求分析的流程如圖5所示。

對某動力控制系統(tǒng)進行需求分析并對用例進行建模，該數(shù)字電子控制系統(tǒng)為3個用例模型，分別為控制、通信、故障檢測。

2 功能分析

圖3 Harmony-SE系統(tǒng)綜合開發(fā)流程圖

圖4 Harmony-SE流程元素圖

功能分析的目的是形成能描述系統(tǒng)功能及其互相之間關(guān)系的一系列模型元素，主要包括活動圖、順序圖和狀態(tài)機。3者之間的順序可以根據(jù)系統(tǒng)的實際情況靈活選擇，但是無論路徑為何，狀態(tài)機都是描述系統(tǒng)最根本的形式。圖6所示為功能分析結(jié)果。

3 設(shè)計綜合

設(shè)計綜合主要是依據(jù)產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計，對產(chǎn)品功能進行分析，并將功能分解、定義并分配到相關(guān)的部件及組件，在此過程中還需完成產(chǎn)品功能向部件、軟/硬件組件功能的分配；完成產(chǎn)品性能指標向部件及組件的分配，包括產(chǎn)品可靠性、維修性、測試性指標等[5]。

由于該發(fā)動機數(shù)字電子式控制系統(tǒng)主要涉及硬件及軟件，所以主要工作為軟、硬件功能模塊的劃分。按照系統(tǒng)的主要功能，可劃分為信息處理、供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)輸出4個主要模塊（圖7），這些模塊將以類塊的形式存在于模型工程中，并可在其基礎(chǔ)上進行軟件的設(shè)計、更新和維護。

問題研究

基于模型的系統(tǒng)工程在飛機級系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)得到了應用，同時在建模語言與建模方法等方面取得了很大的進展，但在機載電子系統(tǒng)上的應用還不是很長，并存在許多問題需深入研究，主要有如下幾個方面。

1 模型跨階段的管理

由于模型在系統(tǒng)不同研發(fā)階段以及里程碑階段所包含的建模要素之間存在著內(nèi)在的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而這些有關(guān)聯(lián)關(guān)系的要素蘊含在不同階段產(chǎn)品數(shù)據(jù)文檔中。所以，必須針對不同類型的產(chǎn)品建立完整的邏輯信息架構(gòu)，該信息架構(gòu)和產(chǎn)品開發(fā)流程相關(guān)聯(lián)用以體現(xiàn)不同的開發(fā)階段，然后將不同階段的模型和信息架構(gòu)中的各個元素進行追蹤，以使其對不同階段的模型進行有效管理。

2 機載電子產(chǎn)品硬件建模

基于模型的系統(tǒng)工程在需求分析和架構(gòu)設(shè)計階段主要關(guān)注系統(tǒng)的邏輯行為，其工作主要是利用系統(tǒng)建模工具進行設(shè)計綜合和需求分解，并對系統(tǒng)功能需求進行驗證和確認，但是，目前機載電子系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計是在專業(yè)工具中進行（如Mentor Graphics等），如何將硬件架構(gòu)仿真和系統(tǒng)架構(gòu)仿真結(jié)合在一起將是MBSE工作后期的重點之一。

3 動態(tài)模型仿真方法

基于模型的系統(tǒng)工程開發(fā)方法主要側(cè)重于對復雜系統(tǒng)靜態(tài)行為的功能建模, 對模型的連續(xù)性動態(tài)行為仿真分析的支持不夠。要實現(xiàn)復雜產(chǎn)品的動態(tài)仿真建模和驗證,只能借助于其他專業(yè)仿真工具，如Dymola、Simscape、MapleSim、AMESim等。因此, 如何保證系統(tǒng)建模工具和專業(yè)仿真工具間模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一是目前要解決的問題之一[2]。

4 模型重用

圖5 需求分析流程及結(jié)果圖

圖6 功能分析流程及部分活動圖

圖7 設(shè)計綜合分析流程及結(jié)果圖

現(xiàn)階段，MBSE系統(tǒng)建模工具由支持UML 建模的工具擴展而來, 幾乎所有的圖形（用例圖、順序圖、活動圖、狀態(tài)圖、塊定義圖）均由人工完成，無法自動生成。事實上, 需求模型、結(jié)構(gòu)模型、行為模型可重用元素較多。因此如何通過重用已有的系統(tǒng)設(shè)計模型來提高系統(tǒng)建模與設(shè)計效率將是模型驅(qū)動復雜產(chǎn)品系統(tǒng)建模與設(shè)計下一步值得研究與探索的重要問題[6-7]。

結(jié)束語

基于模型的系統(tǒng)工程是復雜系統(tǒng)研發(fā)的重要創(chuàng)新，對復雜系統(tǒng)的成功起著至關(guān)重要的作用。本文從MBSE的概念、結(jié)構(gòu)、發(fā)展歷史入手，基于某型動力電子控制系統(tǒng)，使用Harmony-SE流程舉例分析MBSE在當前機載電子產(chǎn)品的應用，同時探討了MBSE在產(chǎn)品開發(fā)方面存在的問題。指出未來復雜產(chǎn)品的范式增長將會為MBSE的進一步發(fā)展提供嶄新機遇與挑戰(zhàn)。有理由相信：MBSE在未來復雜工程的發(fā)展中將占據(jù)更為重要的地位。

[1] 丁鼎.基于模型的系統(tǒng)工程在民機領(lǐng)域的應用.沈陽航空航天大學學報，2012，29(4)： 47-50.

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[4] 劉玉生，袁文強，樊紅日.基于SysML的模型驅(qū)動復雜產(chǎn)品設(shè)計的信息集成框架研究.中國機械工程，2012,23(12)：1438-1445.

[5] 王黎明.控制系統(tǒng)基于模型的系統(tǒng)工程開發(fā)方法研究[D]. 西安：西安電子科技大學，2013.

[6] 劉玉生，蔣玉芹，高曙明.模型驅(qū)動的復雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計建模綜述.中國機械工程，2012,26(6)：741-749.

[7] 孫煜，梁琰，馬力.基于模型的系統(tǒng)工程與SysML應用研究.信息系統(tǒng)工程，2012(10)：114-118.