基于MBSE的直升机航电系统设计方法研究

陈斌

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333000）

1 绪论

1.1 背景与意义

现代化战争在信息争夺与电子对抗方面提出很高要求，影响了新型军用直升机的功能需求不断增加和航空电子系统技术的进步，直升机航空电子系统逐渐开始向综合化智能化方向发展，直升机航空电子系统的功能日益强大和复杂，处理的信息量成倍增长，因此，新一代综合航电采用了IMA 架构、AFDX、ARINC653 等新技术。简单依靠设计人员的经验已经难以对研发流程实现控制、难以实现对资源的合理分配，亟需采用新的设计方法和工具。

基于模型的系统工程是一种用于解决设计复杂控制、信号处理以及通信系统中相关问题的可视化方法，在国外已经成功应用于各种型号飞机的设计研发。

基于模型的系统工程（MBSE）的优势如下：

（1）基于模型交付，直观且避免个人理解差异，增进相关方间技术需求沟通；

（2）模型可被执行，便于自己确认需求，便于相关方验证需求，基于模型在系统开发早期就能进行需求确认与验证；

（3）基于模型的系统工程，可让系统工程师更关注于系统设计本身，相关规范执行和文档生成等可以留给系统工具自动完成；

（4）基于模型可自动生成测试用例，基于模型可完成系统不同阶段仿真验证，系统开发全过程持续集成、验证与测试；

（5）支持自动代码生成，减少人为错误降低重复性低价值工作；（6）模型重用可用于后续衍生系统的设计开发。

基于模型的系统工程最少包含：建模语言、建模方法论和建模工具平台。根据目前公开资料，在民用航空领域形成了多种MBSE方法论或行业最佳实践，其中，IBM Rational 的Harmony-SE 方法论最为著名，基于此方法论的系统建模工具为Rhapsody，同样也是航空领域应用最为广泛的开发工具平台。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 基于模型的系统工程研究现状

基于模型的系统工程（MBSE）是一种系统工程方法，与传统基于文档不同，改为基于模型为数据信息交付媒介，主要面向复杂嵌入式系统设计研发。在这种方法中，核心模型代表了多个系统之间的协同，同时反过来称为一个项目的基本构件，如系统需求，设计规范和验证信息。

2007年INCOSE 推出MBSE 概念，定义MBSE 是用于支持“模型驱动的”系统工程，用于复杂系统的需求分析、功能建模、设计确认与验证，涵盖自系统概念设计、产品交付直到设备后续维护整个产品生命周期。INCOSE 预计2015-2020年间MBSE 方法将会逐步成熟完善，目前依然处于快速迭代演进过程中，目前在国外已经有大量成功应用案例与实践。

图1：Harmony-SE 工作流程

1.2.2 基于Harmony SE 的航电系统设计与测试的研究现状

历经40 多年的发展，国内航空业的技术水平，已经逐渐赶上国外先进水平，同样也要面对行业共同难题，无论是面向适航还是复杂嵌入式系统设计，对于国内航空器设计来说都是新的挑战，我们都缺乏这方面的实践经验。为了更好地应对这些挑战，我们国内也积极地开展了对MBSE 的实践研究。

2 基于Harmony-SE的航电系统设计与分析框架

2.1 Harmony-SE工作流程

如图1 所示，Harmony-SE 工作流程由基于用例迭代的三个阶段组成：需求分析、系统功能分析和设计综合。

2.2 需求分析阶段

在需求分析阶段,重点是分析流程的输入，涉众需求被推导成系统需求。涉众需求是从外部的角度强调系统的能力,而系统需求是描述系统为了达到这些能力必须具备的功能和功能应实现的多好。

需求分析阶段开始于分析涉众的需求并对此进行选择性细化。这一阶段的输出为涉众需求规格。从本质上讲，涉众的需求主要是所需的能力。在接下来的步骤中，这些需求被转化成所需的系统功能并记录在系统需求规格初稿中。所确认的系统需求与其相关的涉众需求应进行可追溯性链接。

在需求分析阶段的下一个主要步骤是定义系统用例。在系统的功能性需求被充分理解后，将其归纳为多个用例。用例可被理解为功能性需求的章节标题。必须确保所有的系统的功能性需求都指向一个或多个用例。这样的“指向”关系可以用Doors 的追踪功能，或者Rhapsody 的decency 来实现。

用例可以具有结构化的层次，但注意不要对用例进行功能性分解。用例不是功能，它们使用功能。没有“金科玉律”来指导描述一个系统所需的用例数。经验表明，对于大的系统，通常可以在顶层定义6 至24 个用例。在最底层的用例应该至少5 个，其中含有最多25 个关键用例场景。在这一阶段，重点是放在确认“正常情况”用例，假设系统行为不会发生错误/失败。在系统功能分析阶段通过模型执行来确认例外场景。

一旦定义了系统级用例并确保了功能和相关性能需求被完整地覆盖了，就要根据它们对定义该系统架构的重要性进行排序。该次序定义了系统工程的工作流程的迭代增量。在每次迭代结束后这个排名可能需要被更新。

2.3 系统功能分析阶段

系统功能分析阶段的主要重点是把根据系统需求定义系统的功能。系统功能分析阶段的工作从上一阶段定义的用例开始，通过活动图、时序图和状态图对用例进行详细描述，并基于构建的行为模型，对系统功能进行验证，从而得到满足用户和系统需求的一系列系统功能。

建模工作流程中的下一个步骤是定义用例块的行为。它是通过三个SysML 图来表达的：

（1）活动图；

（2）序列图；

（3）状态图；

上述的每个图都从特定的角度描述用例场景。此时的活动图是黑盒活动图，将系统看做一个整体，描述该系统在特定的用例场景下的运作过程。它把功能需求组合到动作中。此时的时序图是黑盒时序图，将系统作为一个整体，用于描述系统与外部角色之间的交互。状态图则从系统状态跳转的角度描述系统的工作过程。它把这些信息放到系统状态的背景中，并根据外部激励的不同优先级把信息加入系统行为。

在系统功能分析过程中最重要的是构建系统的状态图模型。它同时包含了黑盒时序图和黑盒活动图的信息，并可通过模型执行进行验证。 用例黑盒活动图和相关的黑盒序列图将在以后的设计过程中被重用。

2.4 设计综合阶段

设计综合阶段的重点是在规定的约束条件下，设计出能够实现上一阶段提出的系统功能的物理架构。设计综合遵循自顶向下的方法。设计综合阶段分为3 个子阶段，分别是：权衡分析阶段、架构设计阶段和详细架构设计阶段。权衡分析是根据指定的性能指标要求，分析比较不同的系统架构方案，从中选择相关最优的方案作为系统架构方案。架构设计将是将前面阶段分析得到系统需求，包括功能性需求和非功能性需求，分配到系统架构上去。详细架构设计阶段的主要工作是定义子系统之间的端口和接口，并构建子系统的行为模型，特别是状态图模型，对得到的系统架构进行验证，确保能够满足需求。

设计综合通常开始于对每个层次架构的分解，得到不同的实现方案，然后对各个方案进行分析比较，从中选优。因为能够满足用户和系统需求的方案很可能不只是一种，需要设计相应的指标或者准则对方案进行比较，这组准则可以根据其相对重要性进行加权。

在架构设计阶段的重点是把系统级操作分配到架构结构的元素中。这种结构可以是以前方案优化设计的结果或某一给定架构。分配是一个迭代的过程，通常要与领域专家的合作来完成。

3 总结

本文采用业界主流的Harmony-SE 方法论来解决航电系统设计问题，能够为航电系统设计开发提供标准的系统工程流程支撑，使得不同阶段的工作能够紧密、无缝衔接。同时，基于模型的系统开发方式能够有效管理系统复杂性和二义性，使得不同专业的人员能够围绕模型进行协同配合，模型间的追溯链接也使得系统的变更自动在全局范围内生效，极大地提高系统研发效率。基于模型的仿真分析使得设计人员能够在早期对系统进行验证，及早发现设计错误并进行修改，避免后期修改带来的风险和成本，提高系统研发的成功率。