模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證研究

歐陽毅，孫 全，黃 旭，翟文華，呂炳均

（上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

隨著信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，武器裝備不斷優(yōu)化升級(jí)和高科技作戰(zhàn)手段不斷更新，戰(zhàn)場環(huán)境日趨復(fù)雜，現(xiàn)代地面防空作戰(zhàn)面臨更多的挑戰(zhàn)［1］。復(fù)雜裝備系統(tǒng)逐漸由大系統(tǒng)向巨系統(tǒng)發(fā)展，呈現(xiàn)出功能高度復(fù)雜、各領(lǐng)域耦合關(guān)聯(lián)、跨域協(xié)同性強(qiáng)等特點(diǎn)。復(fù)雜裝備的研制是一項(xiàng)跨層級(jí)、跨專業(yè)、跨領(lǐng)域的規(guī)模龐大，過程復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及多個(gè)學(xué)科，需要根據(jù)各系統(tǒng)、學(xué)科之間相互聯(lián)系，進(jìn)行仿真驗(yàn)證、方案對(duì)比和多輪迭代，最終完成設(shè)計(jì)過程。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法是以文檔為核心，技術(shù)狀態(tài)分散于多份設(shè)計(jì)文件中，項(xiàng)目內(nèi)的設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)和任務(wù)傳遞主要依靠文檔來完成。文件的靜態(tài)性導(dǎo)致技術(shù)狀態(tài)缺乏有效的驗(yàn)證手段，同時(shí)傳遞效率也較低，已無法滿足復(fù)雜系統(tǒng)的研制要求。采用基于模型的系統(tǒng)工程（model-based systems engineering，MBSE）方法能夠解決上述問題。它從需求階段開始即通過模型的不斷演化、迭代遞增而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以根據(jù)用戶需要刻畫產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期的需求，并根據(jù)需求設(shè)計(jì)產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)以及參數(shù)等；再通過仿真分析發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)方案，為各方提供了一個(gè)通用的、無二義性的設(shè)計(jì)信息交流平臺(tái)。

近年來，基于模型的系統(tǒng)工程已陸續(xù)應(yīng)用到相關(guān)裝備論證和設(shè)計(jì)中，羅松等［2］針對(duì)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法開展一些功能的實(shí)現(xiàn)研究；湯超等［3］立足于戰(zhàn)略層面，完成戰(zhàn)略體系結(jié)構(gòu)的建模，著重進(jìn)行需求分析；劉宇等［4］針對(duì)火控系統(tǒng)的單機(jī)設(shè)備，開展了需求分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但目前文獻(xiàn)中暫未涉及從作戰(zhàn)體系需求分析到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)全流程的裝備建模設(shè)計(jì)的案例，同時(shí)針對(duì)模型的有效性、完整性以及邏輯的一致性都無法通過合理的方法進(jìn)行驗(yàn)證，使得模型的可信度降低，甚至影響到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果。因此，本文在MBSE 深入研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)復(fù)雜裝備功能高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，結(jié)合裝備研制流程，提出了一種適用于復(fù)雜裝備系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證的方法，重點(diǎn)針對(duì)復(fù)雜裝備軟功能設(shè)計(jì)，即功能邏輯流程、輸入輸出流、接口等進(jìn)行建模設(shè)計(jì)與仿真。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模語言和建模工具

MBSE 的核心就是采用形式化、圖形化的建模語言及相應(yīng)的建模工具，優(yōu)化研制過程的系統(tǒng)工程［5］。針對(duì)不同的建模類型可以采用不同的建模方法與技術(shù)。統(tǒng)一建模語言（UML）在軟件工程領(lǐng)域的模型驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)中取得了巨大成功［6］，它具有極好的擴(kuò)展性與開放性。在UML 2.0 的基礎(chǔ)上，國際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)和對(duì)象管理組織對(duì)其進(jìn)行面向系統(tǒng)工程的擴(kuò)展，定義了一種新的系統(tǒng)建模語言標(biāo)準(zhǔn)——SysML。SysML來源于UML，規(guī)定了若干種自然語言外的符號(hào)，包括框圖、線條、箭頭等，來創(chuàng)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為、需求和參數(shù)模型。

建模工具是一類輔助工具，為用戶在遵守建模語言規(guī)則下用SysML 語言創(chuàng)建形式良好的模型。常見的建模工具包括Enterprise Architect、MagicDraw、Rhapsody、源圖等。在本文中綜合選取了源圖、Rhapsody、MagicDraw 作為建模工具，綜合了三者的建模優(yōu)勢。

2 模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜裝備建模方法

建模方法就是如何利用系統(tǒng)建模語言的各種圖形來建立相關(guān)模型進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，這充分依賴于裝備特點(diǎn)和研制經(jīng)驗(yàn)。傳統(tǒng)武器裝備研制流程通常是個(gè)V字形，左側(cè)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，右側(cè)是系統(tǒng)集成驗(yàn)證，主要包括分系統(tǒng)集成調(diào)試、系統(tǒng)集成調(diào)試、系統(tǒng)交付驗(yàn)收等環(huán)節(jié)，如圖2所示。

圖2 傳統(tǒng)武器裝備研制流程Fig.2 The traditional development procedure of weapon equipment

本文結(jié)合傳統(tǒng)武器裝備研制流程，根據(jù)模型設(shè)計(jì)特點(diǎn)，將系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)分為作戰(zhàn)體系需求分析、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)功能分析、分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)和全系統(tǒng)集成等活動(dòng)，設(shè)計(jì)師在每個(gè)活動(dòng)上通過建模完成分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，活動(dòng)與活動(dòng)之間通過模型進(jìn)行傳遞，各個(gè)活動(dòng)產(chǎn)生的模型都納入到模型庫中，推進(jìn)后續(xù)裝備設(shè)計(jì)時(shí)產(chǎn)品化復(fù)用，如圖3所示。

圖3 基于模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程Fig.3 Model-driven design process of complex equipment systems

2.1 需求分析

系統(tǒng)工程一般從用戶需求開始實(shí)施，用戶需求是系統(tǒng)的頂層能力，是針對(duì)用戶以面向問題的角度進(jìn)行的表達(dá)。通常結(jié)合裝備的頂層作戰(zhàn)使命以及環(huán)境約束，通過作戰(zhàn)活動(dòng)圖形式對(duì)每個(gè)作戰(zhàn)場景描述作戰(zhàn)過程，形成作戰(zhàn)活動(dòng)圖和作戰(zhàn)時(shí)序圖，基于系統(tǒng)視角開展系統(tǒng)功能分析，形成系統(tǒng)功能流描述視圖，并對(duì)參與作戰(zhàn)的各個(gè)作戰(zhàn)單位形成所需要的作戰(zhàn)能力和作戰(zhàn)活動(dòng)映射表，完成系統(tǒng)需求的捕獲。

2.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析是以面向解決問題的角度，將系統(tǒng)功能需求轉(zhuǎn)化為對(duì)系統(tǒng)功能的描述，稱為黑盒階段。功能分析主要是對(duì)系統(tǒng)的功能進(jìn)行定義，首先通過創(chuàng)建活動(dòng)圖來分析用例的功能流，然后通過時(shí)序圖確定系統(tǒng)與外界的交互，最后通過狀態(tài)機(jī)圖來描述系統(tǒng)基于狀態(tài)的行為。在功能分析的最后階段，這些附加需求需要得到用戶的認(rèn)可，并被導(dǎo)出到需求管理工具。

在功能分析階段，活動(dòng)圖只分析系統(tǒng)與外部的交互情況和系統(tǒng)自身的運(yùn)行情況，不涉及系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，被稱為黑盒活動(dòng)圖［6］。和活動(dòng)圖類似，在功能分析階段，時(shí)序圖被稱為黑盒時(shí)序圖。狀態(tài)機(jī)圖將活動(dòng)圖中的功能流和時(shí)序圖中的交互集中在一起，包含了黑盒活動(dòng)圖和黑盒時(shí)序圖的信息。功能分析階段輸出主要是系統(tǒng)功能條目和系統(tǒng)黑盒模型。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)合理的系統(tǒng)架構(gòu)，并將系統(tǒng)功能進(jìn)行分解。在架構(gòu)分析階段，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行權(quán)衡分析，在功能分析的基礎(chǔ)上，確定實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的最佳方法。由于確定了系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)內(nèi)部各模塊與系統(tǒng)外部的交互，所以將架構(gòu)設(shè)計(jì)過程稱為白盒階段，將該階段的各個(gè)視圖稱為白盒視圖。系統(tǒng)架構(gòu)可以是權(quán)衡分析的結(jié)果或者傳統(tǒng)架構(gòu)，對(duì)各模塊或子系統(tǒng)的行為、子系統(tǒng)之間的交互和子系統(tǒng)與系統(tǒng)外部的交互進(jìn)行建模，將功能分析階段的黑盒視圖轉(zhuǎn)化成白盒視圖。架構(gòu)設(shè)計(jì)過程和功能分析過程類似，白盒視圖同樣包括活動(dòng)圖、時(shí)序圖和狀態(tài)機(jī)圖。

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)階段輸出主要是系統(tǒng)白盒模型和分系統(tǒng)需求條目。

2.4 分系統(tǒng)功能分析

分系統(tǒng)功能分析是根據(jù)上一階段輸出的頂層需求，將分系統(tǒng)看成一個(gè)黑盒，對(duì)每個(gè)業(yè)務(wù)用例通過活動(dòng)圖、時(shí)序圖和狀態(tài)圖進(jìn)行描述，對(duì)分系統(tǒng)需求條目進(jìn)行抽象、合并、拆分，得到細(xì)化的功能需求，并形成分系統(tǒng)需求列表和分系統(tǒng)黑盒模型，如圖4所示。分系統(tǒng)功能分析輸出主要是系統(tǒng)白盒模型和分系統(tǒng)需求條目。

圖4 黑盒活動(dòng)圖示意圖Fig.4 The black-box diagram

2.5 分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)目的是設(shè)計(jì)合理的子系統(tǒng)架構(gòu)，并將分系統(tǒng)功能進(jìn)行分解，分配到架構(gòu)內(nèi)各模塊（軟件）中。若分系統(tǒng)存在三、四級(jí)子系統(tǒng)，則依次類推，對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行逐層分解。分系統(tǒng)架構(gòu)建模可分為機(jī)械架構(gòu)建模、電氣架構(gòu)建模和軟件架構(gòu)建模，通過建?？煽焖匍_展工程設(shè)計(jì)的迭代仿真驗(yàn)證。隨著產(chǎn)品硬件的系列化、產(chǎn)品化，作戰(zhàn)指揮、發(fā)射控制等分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)更多偏重于軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)。通過對(duì)軟件用例過程的描述，完成軟件架構(gòu)中各分析類的邏輯、接口和數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)，并牽引出邏輯模型和數(shù)學(xué)模型體系。

最終分系統(tǒng)（軟件）架構(gòu)中各個(gè)分析類以活動(dòng)圖、時(shí)序圖、接口圖等形態(tài)呈現(xiàn)，可以直接用于軟件專業(yè)開展分系統(tǒng)軟件開發(fā)，如圖5所示；邏輯模型和數(shù)學(xué)模型體系中各個(gè)模型以類對(duì)象的形式封裝，并通過接口圖描述其輸入輸出接口，可以直接用于模型專業(yè)進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和開發(fā)。

圖5 分系統(tǒng)（軟件）設(shè)計(jì)Fig.5 Subsystem software design

2.6 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)

各分系統(tǒng)（軟件）專業(yè)根據(jù)分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)輸出的各個(gè)分析類相關(guān)的時(shí)序圖、接口圖，將分析類轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì)類，并據(jù)此開展軟件開發(fā)。數(shù)學(xué)模型體系中各個(gè)模型以類對(duì)象的形式封裝，最終完成各分系統(tǒng)（軟件）設(shè)計(jì)。

各分系統(tǒng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)后，交付總體開展系統(tǒng)半實(shí)物仿真驗(yàn)證和系統(tǒng)外場對(duì)接聯(lián)調(diào)等集成驗(yàn)證工作。

3 復(fù)雜裝備系統(tǒng)模型仿真驗(yàn)證方法

3.1 系統(tǒng)模型構(gòu)建

基于復(fù)雜裝備系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)方法，本文建立了裝備系統(tǒng)典型工作過程的系統(tǒng)模型。首先，針對(duì)用戶需求，通過需求清單進(jìn)行了總結(jié)，如圖6所示。在裝備系統(tǒng)典型作戰(zhàn)過程中，用戶需求主要包括對(duì)裝備系統(tǒng)需要的感知能力、打擊能力、通信能力以及指控能力。

圖6 用戶需求清單Fig.6 List of user requirements

針對(duì)典型工作過程，根據(jù)用戶需求，將其歸納為2個(gè)用例：目標(biāo)探測和目標(biāo)打擊。通過與利益攸關(guān)方進(jìn)行關(guān)聯(lián)，可得到如圖7所示的用例圖。

圖7 裝備系統(tǒng)用例圖Fig.7 Use case diagram of equipment system

基于上述用例，分析裝備系統(tǒng)與系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境之間各要素，結(jié)合其他利益攸關(guān)方之間的交互動(dòng)作，可以通過活動(dòng)圖來對(duì)用例進(jìn)行細(xì)化，其中目標(biāo)探測用例的活動(dòng)圖如圖8所示。指揮員通過操作員向裝備系統(tǒng)下達(dá)目標(biāo)探測指令，隨后系統(tǒng)綜合內(nèi)外目標(biāo)信息，通過計(jì)算處理，得到目標(biāo)數(shù)據(jù)，顯示目標(biāo)位置。

圖8 目標(biāo)探測活動(dòng)圖Fig.8 Activity diagram of target detection

裝備系統(tǒng)與系統(tǒng)外部的接口以及輸入輸出定義，具體如圖9所示。

圖9 裝備系統(tǒng)接口定義Fig.9 Equipment system interface definition

定義了系統(tǒng)接口以及輸入輸出后，裝備系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境以及各語境要素均已完善。通過定義系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境可以更加準(zhǔn)確地定義系統(tǒng)與用戶以及外部系統(tǒng)的交互關(guān)系。系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中的其他要素之間的交互如圖10所示。

圖1 SysML所有圖形的層次結(jié)構(gòu)Fig.1 The Architecture of SysML diagrams

圖10 裝備系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境Fig.10 The operating environment of equipment system

進(jìn)入白盒階段意味著針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行深入分析，理解系統(tǒng)如何運(yùn)作，深入分析拆解系統(tǒng)功能，從而識(shí)別功能模塊及所屬的邏輯子系統(tǒng)。同時(shí)，系統(tǒng)行為和結(jié)構(gòu)的細(xì)分是多層迭代的，以實(shí)現(xiàn)問題域定義的相關(guān)粒度。本文通過從系統(tǒng)到子系統(tǒng)的分解來描述系統(tǒng)功能逐層分解的方法。

通過用例細(xì)化得到的活動(dòng)圖，對(duì)裝備系統(tǒng)進(jìn)行更深層次的功能分析，針對(duì)屬于裝備系統(tǒng)的活動(dòng)可繼續(xù)向更深層次進(jìn)行分解，其中目標(biāo)打擊中的制導(dǎo)飛行動(dòng)作可以向下分解，如圖11所示。

圖11 制導(dǎo)飛行活動(dòng)圖Fig.11 Activity diagram of guided flight

功能分析的完成幫助識(shí)別了裝備系統(tǒng)的邏輯子系統(tǒng)。同時(shí)在建立子系統(tǒng)連接的過程中及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的過程中，需要考慮與其他系統(tǒng)連接的接口。裝備系統(tǒng)的架構(gòu)通過模塊定義圖進(jìn)行表示，如圖12所示。裝備系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13所示。

圖12 裝備系統(tǒng)架構(gòu)及子系統(tǒng)接口定義Fig.12 Equipment system architecture and definition of subsystem interface

圖13 裝備系統(tǒng)內(nèi)部模塊圖Fig.13 The IBD of equipment system

完成了邏輯子系統(tǒng)分解之后，可以將功能行為分配到相對(duì)應(yīng)的邏輯子系統(tǒng)中，完善功能分析。

確認(rèn)解決方案結(jié)構(gòu)中的子系統(tǒng)后，開始進(jìn)行子系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析工作。從定義子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)開始，構(gòu)建子系統(tǒng)的解決方案結(jié)構(gòu)，并指定其各個(gè)部分的操作，及與外部的交互。

完成了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義，需要對(duì)系統(tǒng)行為進(jìn)行定義。首先定義子系統(tǒng)行為，通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義好的接口將所有子系統(tǒng)行為進(jìn)行集成，完成系統(tǒng)行為定義。如圖14所示，裝備系統(tǒng)在典型作戰(zhàn)過程中的各類行為已通過狀態(tài)機(jī)進(jìn)行定義。

圖14 裝備系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖Fig.14 The state machine diagram of equipment system

3.2 系統(tǒng)活動(dòng)模型仿真

測試系統(tǒng)之間是否按預(yù)期進(jìn)行相互通信成為系統(tǒng)工程師下一步的主要工作?；谙到y(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境，系統(tǒng)與利益攸關(guān)方和外部系統(tǒng)進(jìn)行交互作用，通過設(shè)計(jì)定義的接口接收和發(fā)送各類物質(zhì)、能量、信號(hào)與信息流，隨后系統(tǒng)、子系統(tǒng)將通過一系列的動(dòng)作和行為來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)期功能。

在上述過程中，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入不同的工作狀態(tài)。在不同的狀態(tài)下，系統(tǒng)所執(zhí)行的動(dòng)作也各不相同。通過控制信號(hào)來觸發(fā)系統(tǒng)狀態(tài)的改變，從而使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同階段所需要的功能。

基于4.1 章節(jié)中建立的裝備系統(tǒng)功能模型，本章將通過對(duì)系統(tǒng)的行為、狀態(tài)、接口、輸入輸出進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證上述模型的邏輯一致性、接口定義的準(zhǔn)確性以及系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的預(yù)期情況。

首先，針對(duì)目標(biāo)探測用例進(jìn)行仿真?；谟美笇?dǎo)所建立的活動(dòng)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，其中包含了系統(tǒng)預(yù)期的全部功能，其仿真過程如圖15所示。

圖15 目標(biāo)探測活動(dòng)仿真Fig.15 Simulation of target detection activity

其次，指揮員向操作員下達(dá)目標(biāo)探測命令；隨后，裝備系統(tǒng)開始并行執(zhí)行3 個(gè)動(dòng)作：請(qǐng)求上級(jí)信息，請(qǐng)求導(dǎo)航數(shù)據(jù)，以及搜索空中目標(biāo)信息，并發(fā)送相應(yīng)的請(qǐng)求信號(hào)。

在搜索空中目標(biāo)信息中，通過選擇框來完成“目標(biāo)是否捕獲”判斷，模擬實(shí)際流程中可能出現(xiàn)的多種情況，保證模型邏輯的正確性與一致性。在搜索空中目標(biāo)信息過程中，子系統(tǒng)3 在經(jīng)過多次未捕獲目標(biāo)后，完成對(duì)目標(biāo)的捕獲，并將目標(biāo)信息通過接口發(fā)送給子系統(tǒng)1，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。如圖16所示。

圖16 搜索空中目標(biāo)信息Fig.16 Search for airborne target information

當(dāng)裝備系統(tǒng)完成目標(biāo)搜索，得到上級(jí)信息及導(dǎo)航數(shù)據(jù)后，開始進(jìn)行下一步的目標(biāo)信息綜合處理計(jì)算，并完成后續(xù)一系列的動(dòng)作，直至完成整個(gè)目標(biāo)探測活動(dòng)，驗(yàn)證該活動(dòng)邏輯的完整性。

3.3 系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)模型仿真

在狀態(tài)機(jī)圖中，系統(tǒng)通過觸發(fā)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的切換，并根據(jù)自身所處的狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)的一個(gè)狀態(tài)可能會(huì)包含幾個(gè)子狀態(tài)，這些子狀態(tài)同樣會(huì)根據(jù)觸發(fā)信號(hào)實(shí)現(xiàn)切換。在不同的子狀態(tài)下，系統(tǒng)本身還在執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，但類似于活動(dòng)的分解一樣，狀態(tài)的分解同樣會(huì)讓系統(tǒng)在同一狀態(tài)下執(zhí)行分解后的動(dòng)作。

如圖17所示，對(duì)裝備系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)進(jìn)行仿真驗(yàn)證分析。首先，裝備系統(tǒng)經(jīng)過上電開機(jī)自檢后，進(jìn)入到待命狀態(tài)，等待外部的控制信號(hào)。

圖17 裝備系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)仿真過程Fig.17 Equipment system state machine simulation process

在接收到目標(biāo)探測指令后，裝備系統(tǒng)進(jìn)入目標(biāo)探測狀態(tài)，并隨后進(jìn)入到信息收集子狀態(tài)中的請(qǐng)求導(dǎo)航數(shù)據(jù)子狀態(tài)、請(qǐng)求上級(jí)信息子狀態(tài)以及搜索空中目標(biāo)子狀態(tài)。在子狀態(tài)中，裝備系統(tǒng)分別執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作，并在完成后退出信息收集子狀態(tài)。

隨后經(jīng)過綜合目標(biāo)處理計(jì)算以及顯示目標(biāo)位置，系統(tǒng)返回到待命狀態(tài)，并等待后續(xù)的控制指令。在接收到目標(biāo)打擊指令后，裝備系統(tǒng)通過參數(shù)裝訂、導(dǎo)彈加電、導(dǎo)彈發(fā)射和命中目標(biāo)一系列狀態(tài)并完成相應(yīng)動(dòng)作后，返回到待命狀態(tài)。

3.4 系統(tǒng)接口與輸入輸出模型仿真

經(jīng)過上述兩節(jié)的仿真分析，明確了裝備系統(tǒng)行為模型（活動(dòng)與狀態(tài)機(jī)）邏輯的完整性和一致性，因此后續(xù)將繼續(xù)對(duì)模型接口定義以及輸入輸出流的正確性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

由于系統(tǒng)、子系統(tǒng)的接口以及輸入輸出是基于系統(tǒng)的外部環(huán)境以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)而定義的，因此，無法脫離系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境和結(jié)構(gòu)單獨(dú)證明接口以及輸入輸出流是否定義正確。圖18綜合展示了裝備系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

圖18 系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.18 System operating environment and internal structure

由于裝備系統(tǒng)的接口與輸入輸出流數(shù)量多，本文選取導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真分析，具體流程如下。

首先，指揮員向操作員下達(dá)目標(biāo)探測命令，并由指揮員向裝備系統(tǒng)下達(dá)目標(biāo)探測指令。在接到指令后，裝備系統(tǒng)便向?qū)Ш较到y(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求導(dǎo)航數(shù)據(jù)。導(dǎo)航系統(tǒng)接收到請(qǐng)求導(dǎo)航數(shù)據(jù)的指令后，向裝備系統(tǒng)發(fā)送系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并由裝備系統(tǒng)向子系統(tǒng)傳遞該數(shù)據(jù)，此時(shí)系統(tǒng)便記錄下導(dǎo)航數(shù)據(jù)。最終由子系統(tǒng)接收并記錄數(shù)據(jù)，目標(biāo)數(shù)據(jù)如圖19所示。

圖19 導(dǎo)航系統(tǒng)返回導(dǎo)航數(shù)據(jù)Fig.19 The navigation system replies with navigation data

仿真結(jié)果證明，裝備系統(tǒng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)接口能夠?qū)崿F(xiàn)與利益攸關(guān)方以及外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能，包括發(fā)送請(qǐng)求信息并收到相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。同時(shí)，裝備系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)與子系統(tǒng)之間的信息傳輸。

基于上述系統(tǒng)模型的仿真驗(yàn)證方法，通過分析仿真結(jié)果，可以證明依據(jù)本文所提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法建立的系統(tǒng)模型具有良好的邏輯完整性和一致性，且接口與輸入輸出流的定義準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)、子系統(tǒng)與外部環(huán)境和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜交互。

4 后續(xù)展望

本文提出的模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜裝備系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證方法，基本實(shí)現(xiàn)了從作戰(zhàn)需求分析到產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)的全流程建模，對(duì)提高裝備設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率具有很大意義。然而由于研究時(shí)間的限制等，還存在許多問題需深入研究和加強(qiáng)攻關(guān)。

（1）對(duì)性能指標(biāo)迭代驗(yàn)證需要加強(qiáng)。目前建模工作側(cè)重于對(duì)各級(jí)系統(tǒng)功能需求的捕獲和驗(yàn)證，偏重于邏輯控制層面，缺少對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)需求的捕獲和驗(yàn)證，如電磁仿真、力學(xué)分析等性能指標(biāo)分析。

（2）提升建模設(shè)計(jì)自動(dòng)化水平。現(xiàn)有的建模工具難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化建模，整個(gè)建模設(shè)計(jì)過程均需設(shè)計(jì)師手動(dòng)完成。事實(shí)上，功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)之間存在一種映射關(guān)系。因此，如何利用現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)提高建模的自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輔助建模和自動(dòng)軟件代碼生成值得研究與探索。

（3）探索機(jī)電液等物理建模方法。復(fù)雜產(chǎn)品具有其自身的許多特點(diǎn)，如多物理域、連續(xù)動(dòng)態(tài)行為等，需要對(duì)機(jī)電液等多個(gè)物理域建模實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)更為全面的描述。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能邏輯與物理性能的聯(lián)合仿真，驗(yàn)證系統(tǒng)功能邏輯和物理性能的匹配性，對(duì)于全流程建模的研究具有重要意義和價(jià)值。

5 結(jié) 論

本文針對(duì)復(fù)雜裝備功能高度復(fù)雜的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，結(jié)合裝備研制流程，提出了一種適用于復(fù)雜裝備系統(tǒng)全流程建模設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證的方法，覆蓋了從作戰(zhàn)需求分析、系統(tǒng)功能分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)功能需求分析、分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)等裝備研制全過程，極大地提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，具有較高的實(shí)用價(jià)值。同時(shí)探討該方法在性能指標(biāo)迭代、建模自動(dòng)化、物理建模等方面需要提升的地方，這些也是基于模型驅(qū)動(dòng)建模在裝備研制應(yīng)用中需要盡快開展重點(diǎn)研究和攻關(guān)的方向。