基于MBSE的直升機航電系統(tǒng)設計方法研究

陳斌

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333000）

1 緒論

1.1 背景與意義

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭在信息爭奪與電子對抗方面提出很高要求，影響了新型軍用直升機的功能需求不斷增加和航空電子系統(tǒng)技術的進步，直升機航空電子系統(tǒng)逐漸開始向綜合化智能化方向發(fā)展，直升機航空電子系統(tǒng)的功能日益強大和復雜，處理的信息量成倍增長，因此，新一代綜合航電采用了IMA 架構、AFDX、ARINC653 等新技術。簡單依靠設計人員的經(jīng)驗已經(jīng)難以對研發(fā)流程實現(xiàn)控制、難以實現(xiàn)對資源的合理分配，亟需采用新的設計方法和工具。

基于模型的系統(tǒng)工程是一種用于解決設計復雜控制、信號處理以及通信系統(tǒng)中相關問題的可視化方法，在國外已經(jīng)成功應用于各種型號飛機的設計研發(fā)。

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的優(yōu)勢如下：

（1）基于模型交付，直觀且避免個人理解差異，增進相關方間技術需求溝通；

（2）模型可被執(zhí)行，便于自己確認需求，便于相關方驗證需求，基于模型在系統(tǒng)開發(fā)早期就能進行需求確認與驗證；

（3）基于模型的系統(tǒng)工程，可讓系統(tǒng)工程師更關注于系統(tǒng)設計本身，相關規(guī)范執(zhí)行和文檔生成等可以留給系統(tǒng)工具自動完成；

（4）基于模型可自動生成測試用例，基于模型可完成系統(tǒng)不同階段仿真驗證，系統(tǒng)開發(fā)全過程持續(xù)集成、驗證與測試；

（5）支持自動代碼生成，減少人為錯誤降低重復性低價值工作；（6）模型重用可用于后續(xù)衍生系統(tǒng)的設計開發(fā)。

基于模型的系統(tǒng)工程最少包含：建模語言、建模方法論和建模工具平臺。根據(jù)目前公開資料，在民用航空領域形成了多種MBSE方法論或行業(yè)最佳實踐，其中，IBM Rational 的Harmony-SE 方法論最為著名，基于此方法論的系統(tǒng)建模工具為Rhapsody，同樣也是航空領域應用最為廣泛的開發(fā)工具平臺。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1 基于模型的系統(tǒng)工程研究現(xiàn)狀

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是一種系統(tǒng)工程方法，與傳統(tǒng)基于文檔不同，改為基于模型為數(shù)據(jù)信息交付媒介，主要面向復雜嵌入式系統(tǒng)設計研發(fā)。在這種方法中，核心模型代表了多個系統(tǒng)之間的協(xié)同，同時反過來稱為一個項目的基本構件，如系統(tǒng)需求，設計規(guī)范和驗證信息。

2007年INCOSE 推出MBSE 概念，定義MBSE 是用于支持“模型驅(qū)動的”系統(tǒng)工程，用于復雜系統(tǒng)的需求分析、功能建模、設計確認與驗證，涵蓋自系統(tǒng)概念設計、產(chǎn)品交付直到設備后續(xù)維護整個產(chǎn)品生命周期。INCOSE 預計2015-2020年間MBSE 方法將會逐步成熟完善，目前依然處于快速迭代演進過程中，目前在國外已經(jīng)有大量成功應用案例與實踐。

圖1：Harmony-SE 工作流程

1.2.2 基于Harmony SE 的航電系統(tǒng)設計與測試的研究現(xiàn)狀

歷經(jīng)40 多年的發(fā)展，國內(nèi)航空業(yè)的技術水平，已經(jīng)逐漸趕上國外先進水平，同樣也要面對行業(yè)共同難題，無論是面向適航還是復雜嵌入式系統(tǒng)設計，對于國內(nèi)航空器設計來說都是新的挑戰(zhàn)，我們都缺乏這方面的實踐經(jīng)驗。為了更好地應對這些挑戰(zhàn)，我們國內(nèi)也積極地開展了對MBSE 的實踐研究。

2 基于Harmony-SE的航電系統(tǒng)設計與分析框架

2.1 Harmony-SE工作流程

如圖1 所示，Harmony-SE 工作流程由基于用例迭代的三個階段組成：需求分析、系統(tǒng)功能分析和設計綜合。

2.2 需求分析階段

在需求分析階段,重點是分析流程的輸入，涉眾需求被推導成系統(tǒng)需求。涉眾需求是從外部的角度強調(diào)系統(tǒng)的能力,而系統(tǒng)需求是描述系統(tǒng)為了達到這些能力必須具備的功能和功能應實現(xiàn)的多好。

需求分析階段開始于分析涉眾的需求并對此進行選擇性細化。這一階段的輸出為涉眾需求規(guī)格。從本質(zhì)上講，涉眾的需求主要是所需的能力。在接下來的步驟中，這些需求被轉(zhuǎn)化成所需的系統(tǒng)功能并記錄在系統(tǒng)需求規(guī)格初稿中。所確認的系統(tǒng)需求與其相關的涉眾需求應進行可追溯性鏈接。

在需求分析階段的下一個主要步驟是定義系統(tǒng)用例。在系統(tǒng)的功能性需求被充分理解后，將其歸納為多個用例。用例可被理解為功能性需求的章節(jié)標題。必須確保所有的系統(tǒng)的功能性需求都指向一個或多個用例。這樣的“指向”關系可以用Doors 的追蹤功能，或者Rhapsody 的decency 來實現(xiàn)。

用例可以具有結(jié)構化的層次，但注意不要對用例進行功能性分解。用例不是功能，它們使用功能。沒有“金科玉律”來指導描述一個系統(tǒng)所需的用例數(shù)。經(jīng)驗表明，對于大的系統(tǒng)，通?？梢栽陧攲佣x6 至24 個用例。在最底層的用例應該至少5 個，其中含有最多25 個關鍵用例場景。在這一階段，重點是放在確認“正常情況”用例，假設系統(tǒng)行為不會發(fā)生錯誤/失敗。在系統(tǒng)功能分析階段通過模型執(zhí)行來確認例外場景。

一旦定義了系統(tǒng)級用例并確保了功能和相關性能需求被完整地覆蓋了，就要根據(jù)它們對定義該系統(tǒng)架構的重要性進行排序。該次序定義了系統(tǒng)工程的工作流程的迭代增量。在每次迭代結(jié)束后這個排名可能需要被更新。

2.3 系統(tǒng)功能分析階段

系統(tǒng)功能分析階段的主要重點是把根據(jù)系統(tǒng)需求定義系統(tǒng)的功能。系統(tǒng)功能分析階段的工作從上一階段定義的用例開始，通過活動圖、時序圖和狀態(tài)圖對用例進行詳細描述，并基于構建的行為模型，對系統(tǒng)功能進行驗證，從而得到滿足用戶和系統(tǒng)需求的一系列系統(tǒng)功能。

建模工作流程中的下一個步驟是定義用例塊的行為。它是通過三個SysML 圖來表達的：

（1）活動圖；

（2）序列圖；

（3）狀態(tài)圖；

上述的每個圖都從特定的角度描述用例場景。此時的活動圖是黑盒活動圖，將系統(tǒng)看做一個整體，描述該系統(tǒng)在特定的用例場景下的運作過程。它把功能需求組合到動作中。此時的時序圖是黑盒時序圖，將系統(tǒng)作為一個整體，用于描述系統(tǒng)與外部角色之間的交互。狀態(tài)圖則從系統(tǒng)狀態(tài)跳轉(zhuǎn)的角度描述系統(tǒng)的工作過程。它把這些信息放到系統(tǒng)狀態(tài)的背景中，并根據(jù)外部激勵的不同優(yōu)先級把信息加入系統(tǒng)行為。

在系統(tǒng)功能分析過程中最重要的是構建系統(tǒng)的狀態(tài)圖模型。它同時包含了黑盒時序圖和黑盒活動圖的信息，并可通過模型執(zhí)行進行驗證。 用例黑盒活動圖和相關的黑盒序列圖將在以后的設計過程中被重用。

2.4 設計綜合階段

設計綜合階段的重點是在規(guī)定的約束條件下，設計出能夠?qū)崿F(xiàn)上一階段提出的系統(tǒng)功能的物理架構。設計綜合遵循自頂向下的方法。設計綜合階段分為3 個子階段，分別是：權衡分析階段、架構設計階段和詳細架構設計階段。權衡分析是根據(jù)指定的性能指標要求，分析比較不同的系統(tǒng)架構方案，從中選擇相關最優(yōu)的方案作為系統(tǒng)架構方案。架構設計將是將前面階段分析得到系統(tǒng)需求，包括功能性需求和非功能性需求，分配到系統(tǒng)架構上去。詳細架構設計階段的主要工作是定義子系統(tǒng)之間的端口和接口，并構建子系統(tǒng)的行為模型，特別是狀態(tài)圖模型，對得到的系統(tǒng)架構進行驗證，確保能夠滿足需求。

設計綜合通常開始于對每個層次架構的分解，得到不同的實現(xiàn)方案，然后對各個方案進行分析比較，從中選優(yōu)。因為能夠滿足用戶和系統(tǒng)需求的方案很可能不只是一種，需要設計相應的指標或者準則對方案進行比較，這組準則可以根據(jù)其相對重要性進行加權。

在架構設計階段的重點是把系統(tǒng)級操作分配到架構結(jié)構的元素中。這種結(jié)構可以是以前方案優(yōu)化設計的結(jié)果或某一給定架構。分配是一個迭代的過程，通常要與領域?qū)＜业暮献鱽硗瓿伞?/p>

3 總結(jié)

本文采用業(yè)界主流的Harmony-SE 方法論來解決航電系統(tǒng)設計問題，能夠為航電系統(tǒng)設計開發(fā)提供標準的系統(tǒng)工程流程支撐，使得不同階段的工作能夠緊密、無縫銜接。同時，基于模型的系統(tǒng)開發(fā)方式能夠有效管理系統(tǒng)復雜性和二義性，使得不同專業(yè)的人員能夠圍繞模型進行協(xié)同配合，模型間的追溯鏈接也使得系統(tǒng)的變更自動在全局范圍內(nèi)生效，極大地提高系統(tǒng)研發(fā)效率?；谀Ｐ偷姆抡娣治鍪沟迷O計人員能夠在早期對系統(tǒng)進行驗證，及早發(fā)現(xiàn)設計錯誤并進行修改，避免后期修改帶來的風險和成本，提高系統(tǒng)研發(fā)的成功率。