基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)多視圖表達(dá)方法

康文文, 李浩敏

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院, 上海 201210)

0 引 言

飛機(jī)系統(tǒng)是典型的復(fù)雜系統(tǒng),從傳統(tǒng)的研制方法向“基于系統(tǒng)工程的正向設(shè)計方法”的轉(zhuǎn)變遇到了很多困難;其中一個典型困難是“缺乏有效的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計表達(dá)方法”。

根據(jù)系統(tǒng)工程方法[1-6]的指導(dǎo),飛機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵步驟是“架構(gòu)設(shè)計綜合”,需要對整機(jī)各系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)集成和全局性的權(quán)衡分析;傳統(tǒng)進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)原理性設(shè)計的方法是采用二維畫圖工具,但飛機(jī)上有30多個大系統(tǒng),140多個子系統(tǒng),數(shù)千種設(shè)備[7],二維畫圖工具無法有效應(yīng)對如此大規(guī)模的系統(tǒng)架構(gòu)制圖,更加無法支持多系統(tǒng)架構(gòu)的綜合性分析。

飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的典型復(fù)雜特征是:

(1)多層級,包括飛機(jī)級、系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級、設(shè)備級等;

(2)多系統(tǒng)集成,包括液壓系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、自動飛行系統(tǒng)、機(jī)輪剎車系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等;

(3)多接口形式,系統(tǒng)設(shè)備間接口形式包括信號、物質(zhì)、能量等;

(4)多專業(yè)合作,包括總體系統(tǒng)綜合專業(yè)和各系統(tǒng)專業(yè)等,不同專業(yè)對飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的關(guān)注點(diǎn)不同。

限于這些復(fù)雜特征,單獨(dú)采用一張視圖無法有效描述飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計結(jié)果;傳統(tǒng)設(shè)計方法中通常會采用多張離散的二維架構(gòu)圖對全局系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行描述,這種架構(gòu)設(shè)計方法造成了很多問題,其中一些典型的問題包括:

(1)同一個系統(tǒng)的多張離散系統(tǒng)架構(gòu)圖中的設(shè)計元素需要交叉參考,但由于設(shè)計元素眾多,多張架構(gòu)圖之間很難保持協(xié)同;

(2)隨著設(shè)計的深入,每個系統(tǒng)的設(shè)計元素都在不斷增多,設(shè)備定義不斷細(xì)化分解,系統(tǒng)架構(gòu)圖需要不斷更新,多張架構(gòu)圖的更新難以保持協(xié)同;

(3)為開展某種綜合性的系統(tǒng)性能分析,比如整機(jī)液壓能耗分析時,需要從多個系統(tǒng)的架構(gòu)圖中抽取設(shè)計信息,但基于離散的架構(gòu)圖進(jìn)行信息抽取時效率很低,且容易出錯;

(4)在開展全局性的安全性分析[8-9]時,需要基于清晰的整體系統(tǒng)行為邏輯和接口關(guān)系,但散落在數(shù)百張系統(tǒng)架構(gòu)圖中的接口關(guān)系非常繁雜,極大降低了安全性評估的置信度;

(5)在多專業(yè)合作進(jìn)行跨系統(tǒng)集成時,各系統(tǒng)專業(yè)普遍會為接口系統(tǒng)專業(yè)提供一張完整的 “系統(tǒng)架構(gòu)大圖”,包含本系統(tǒng)的大部分設(shè)計特征比如能源形式、信號形式等,但由于“系統(tǒng)架構(gòu)大圖”的信息量過于龐大且不支持篩選,進(jìn)入到詳細(xì)設(shè)計階段后,各系統(tǒng)的大圖往往會復(fù)雜到無法使用。

多張離散的二維架構(gòu)圖已經(jīng)是“飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖設(shè)計表達(dá)方法”的雛形,但由于離散性,這些架構(gòu)圖并不能有效應(yīng)對飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的多層級、多系統(tǒng)集成、多接口形式、多專業(yè)合作等困難特征;對離散二維架構(gòu)圖的制作和應(yīng)用最終都轉(zhuǎn)化為飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)綜合設(shè)計中巨大的工作量。

一個有效的“飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖設(shè)計表達(dá)方法”的內(nèi)涵是:飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的功能、設(shè)備、接口等架構(gòu)元素的定義和引用應(yīng)該是統(tǒng)一的,而多系統(tǒng)集成架構(gòu)的設(shè)計應(yīng)該是由粗到細(xì)協(xié)同進(jìn)行的,不同的架構(gòu)元素之間應(yīng)該是具備關(guān)聯(lián)關(guān)系的,在開展各項(xiàng)設(shè)計分析時,可以從統(tǒng)一和協(xié)同的系統(tǒng)架構(gòu)中抽取必要元素以準(zhǔn)確的生成目標(biāo)分析視圖。

多視圖設(shè)計表達(dá)的創(chuàng)新點(diǎn)和價值在于,把復(fù)雜的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計任務(wù)分解為多個圖層以降低每個圖層上的設(shè)計和分析難度,同時保持各圖層上架構(gòu)元素定義的一致性,支持后期多個設(shè)計圖層的合并和系統(tǒng)架構(gòu)的集成。

為支持飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)多視圖設(shè)計表達(dá)方法的落實(shí),需要采用基于模型的手段。

傳統(tǒng)的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)建模方法主要是數(shù)值建模方法,包括Modelica或Simulink建模等;傳統(tǒng)建模方法的對象是系統(tǒng)物理架構(gòu),由具體設(shè)備和組件構(gòu)成;傳統(tǒng)建模方法的強(qiáng)項(xiàng)在于系統(tǒng)性能的數(shù)值仿真,但并不能解決飛機(jī)總體專業(yè)的多系統(tǒng)設(shè)計表達(dá)問題;需要引入更加抽象和形式化的建模方法以支持飛機(jī)多系統(tǒng)架構(gòu)集成的設(shè)計表達(dá),使飛機(jī)總體專業(yè)在多系統(tǒng)綜合設(shè)計方面獲得明確的設(shè)計分析對象,即“整機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)框架模型和多系統(tǒng)架構(gòu)集成細(xì)節(jié)模型”。

Andersson介紹了飛機(jī)系統(tǒng)建模的多種方法,包括系統(tǒng)建模語言(systems modeling language,SysML)建模和Modelica建模等[10]。Bergman針對能量優(yōu)化飛機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)架構(gòu)的建模和權(quán)衡研究[11]。Lemazurier研究了將需求映射到系統(tǒng)功能架構(gòu)的方法[12]。Mavris等人指出飛機(jī)新功能和系統(tǒng)新技術(shù)的發(fā)展導(dǎo)致飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的快速演變,并研究了從飛機(jī)級功能直接推導(dǎo)出可行物理架構(gòu)的方法,以支持進(jìn)行半自動化的權(quán)衡分析[13]。浦樂等人針對SysML建模在導(dǎo)彈系統(tǒng)設(shè)計[14]、動車組系統(tǒng)設(shè)計[15]、飛機(jī)健康管理系統(tǒng)設(shè)計[16]、發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)[17]、綜合模塊化航電[18]、機(jī)載系統(tǒng)可靠性和安全性分析[19-20]中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。這些研究從不同角度指出了基于模型開展系統(tǒng)設(shè)計的可行方法,但均沒有指出解決飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)高復(fù)雜性的處理機(jī)制,也沒有應(yīng)用“多視圖”的架構(gòu)設(shè)計理念,無法解決本文中的目標(biāo)問題,即“飛機(jī)總體專業(yè)缺乏多系統(tǒng)架構(gòu)集成設(shè)計和表達(dá)的方法”。

本文采用SysML建模語言[21],提出了“基于模型的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)多視圖設(shè)計表達(dá)方法”,可以有效應(yīng)對飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的多層級、多系統(tǒng)、多接口形式、多專業(yè)合作等特征,有效支持飛機(jī)系統(tǒng)的正向設(shè)計。

1 架構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)和多視圖策略

1.1 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計結(jié)果的復(fù)雜性

飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計結(jié)果往往具有很高的復(fù)雜性。比如,飛機(jī)地面減速功能的實(shí)現(xiàn)需要多個飛機(jī)系統(tǒng)的協(xié)作,地面減速的飛機(jī)級綜合系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示,飛機(jī)級功能比如地面減速功能由多個飛機(jī)系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn),體現(xiàn)為多系統(tǒng)間密切的信號交聯(lián)和能量交聯(lián)關(guān)系;飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計存在典型的多系統(tǒng)集成特征。

圖1 地面減速飛機(jī)級綜合系統(tǒng)架構(gòu)

機(jī)輪剎車系統(tǒng)是地面減速飛機(jī)級綜合系統(tǒng)架構(gòu)中的一個典型飛機(jī)系統(tǒng),承擔(dān)著飛機(jī)著陸后的主要減速任務(wù);如果飛機(jī)高速著陸后不能有效減速將會造成機(jī)毀人亡的情況。機(jī)輪剎車系統(tǒng)的系統(tǒng)級集成架構(gòu)如圖2所示。為保持簡潔清晰,機(jī)輪剎車系統(tǒng)的集成架構(gòu)圖中隱去了部分接口、設(shè)備等信息。

圖2 機(jī)輪剎車系統(tǒng)的系統(tǒng)級集成架構(gòu)

如圖2所示,機(jī)輪剎車系統(tǒng)的系統(tǒng)級架構(gòu)受到地面減速飛機(jī)級綜合系統(tǒng)架構(gòu)的接口約束,飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)典型的多層級特征;飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)集成架構(gòu)中包含多種設(shè)備,其接口形式包括液壓接口、電源接口、信號接口等,飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計存在典型的多接口形式特征。

在飛機(jī)研制工程單位,飛機(jī)級的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計由總體系統(tǒng)綜合專業(yè)負(fù)責(zé),各系統(tǒng)比如機(jī)輪剎車系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計由剎車專業(yè)負(fù)責(zé);總體系統(tǒng)綜合專業(yè)需要對各系統(tǒng)專業(yè)的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計結(jié)果進(jìn)行集成和權(quán)衡分析,各系統(tǒng)專業(yè)之間需要就接口的具體內(nèi)容、形式、性能等進(jìn)行協(xié)同設(shè)計;飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計呈現(xiàn)典型的多專業(yè)合作特征。

1.2 多視角飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程的復(fù)雜性

飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計通常包含功能架構(gòu)和物理架構(gòu)設(shè)計過程,以及針對功能架構(gòu)和物理架構(gòu)的多種設(shè)計分析過程;為保證過程清晰,通常會將飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程分為功能視角和物理視角。

功能視角設(shè)計是系統(tǒng)工程方法給出的重要指導(dǎo),要求在開展目標(biāo)系統(tǒng)的物理架構(gòu)方案設(shè)計前進(jìn)行充分的問題域分析,明確目標(biāo)系統(tǒng)的功能內(nèi)涵、功能邊界和應(yīng)對各種運(yùn)行場景的功能邏輯。物理視角設(shè)計是傳統(tǒng)飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的重點(diǎn),主要定義系統(tǒng)物理架構(gòu)和相應(yīng)設(shè)備的產(chǎn)品規(guī)范,支持系統(tǒng)設(shè)備采購或者新研。

每個視角中需要開展的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計和分析工作和不同視角之間的設(shè)計數(shù)據(jù)交互如圖3所示。

圖3 多視角的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程

如圖3所示,功能架構(gòu)定義和物理架構(gòu)定義的工作需要與接口分析、性能分析、安全性分析、能耗分析等工作充分協(xié)同;架構(gòu)設(shè)計過程不同步驟的協(xié)同性要求與飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的多層級、多系統(tǒng)集成、多接口形式等特征交織在一起,呈現(xiàn)出很高的復(fù)雜性。

1.3 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的難點(diǎn)

飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程和結(jié)果的復(fù)雜性,導(dǎo)致飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中存在多個難點(diǎn)。

(1)單系統(tǒng)設(shè)計和分析已經(jīng)比較困難

飛機(jī)的每個單系統(tǒng)比如機(jī)輪剎車系統(tǒng),其復(fù)雜性和綜合程度已經(jīng)很高。由于缺乏有效的架構(gòu)設(shè)計表達(dá)和數(shù)據(jù)協(xié)同方法,不同角度的設(shè)計工作經(jīng)常出現(xiàn)不同步的情況。

(2)跨系統(tǒng)綜合分析更加困難

在系統(tǒng)綜合設(shè)計中,不可避免會出現(xiàn)系統(tǒng)間設(shè)計不兼容的情況,由于缺乏有效的架構(gòu)設(shè)計表達(dá)和數(shù)據(jù)協(xié)同方法,在多張離散的二維架構(gòu)圖中發(fā)現(xiàn)錯誤和更正錯誤的難度越來越高,導(dǎo)致最終系統(tǒng)間存在很多細(xì)節(jié)的設(shè)計兼容性問題。

(3)規(guī)范的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程難以落實(shí)

在缺乏有效架構(gòu)設(shè)計表達(dá)方法和架構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同方法的情況下,多層級、多系統(tǒng)、多接口形式的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程很快就會出現(xiàn)層級模糊、系統(tǒng)界面混亂、系統(tǒng)接口缺乏控制的情況。

1.4 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的多視圖策略

需要引入多視圖策略,以響應(yīng)飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計眾多利益攸關(guān)方的共同訴求:

(1)需要從不同的角度以多視圖的形式對系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行相對獨(dú)立的描述,且這些不同的視圖可以自動化關(guān)聯(lián)并集成在一起,以形成統(tǒng)一且完備的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu);

(2)飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的視圖應(yīng)支持不斷的細(xì)化,同時保持架構(gòu)設(shè)計元素之間的約束關(guān)系,包括分解關(guān)系、接口連接關(guān)系等;

(3)遵循規(guī)范的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程,可以從統(tǒng)一且完備的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)中按需生成特定的分析視圖,比如跨系統(tǒng)的液壓綜合架構(gòu)視圖等。

對多視圖策略的應(yīng)用,需要引入“多視圖建模方法”。在飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程的約束下,通過“多視圖建模方法”進(jìn)行局部設(shè)計,再通過視圖自動化集成構(gòu)建“統(tǒng)一且完備的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型”;針對飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型,一方面采用多視圖方法繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化設(shè)計和建模,另一方面基于已有的架構(gòu)模型抽取必要的元素,搭建分析視圖并開展架構(gòu)設(shè)計分析。

通過多視圖架構(gòu)建模方法將飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行拆分,在保持架構(gòu)元素統(tǒng)一定義和引用的基礎(chǔ)上,對多層級(飛機(jī)級、系統(tǒng)級、設(shè)備級)、多系統(tǒng)(液壓系統(tǒng)、機(jī)輪剎車系統(tǒng)等)、多接口形式的系統(tǒng)設(shè)計工作進(jìn)行解耦,將每個視圖下的架構(gòu)設(shè)計和建模工作都局限到某個特定層級、特定系統(tǒng)和特定接口形式,充分降低每個視圖下的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性;通過降低每張視圖上架構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性,形成更加清晰的設(shè)計邊界,支持多專業(yè)的有效合作,支持規(guī)范的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程的落實(shí)。

2 基于模型的多視圖架構(gòu)設(shè)計表達(dá)方法

2.1 SysML建模語言簡介

SysML建模語言中支持飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)建模的主要是“塊定義圖”和“內(nèi)部塊圖”,以及與這兩種圖兼容的“塊”“接口”等架構(gòu)建模元素。

“塊”是SysML語言的一個通用概念,用于對有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的實(shí)體進(jìn)行描述,包括系統(tǒng)、硬件設(shè)備、軟件或者其他物理對象等?！皦K定義圖”可以用于捕獲“塊”之間的關(guān)系,包括“塊”的層級結(jié)構(gòu)等。

“接口”是SysML語言中經(jīng)常與“塊”一起使用的建模元素,用于對“塊”之間的接口關(guān)系進(jìn)行明確,比如信號接口、物質(zhì)接口和電氣接口等。

“內(nèi)部塊圖”描述一個高層級“塊”的內(nèi)部“組成部分”(由“塊”進(jìn)行類型定義)之間的交聯(lián)關(guān)系,通過有方向的接口傳遞不同系統(tǒng)組成部分之間的交互,包括物質(zhì)、信號和能量等。

“塊”可以代表目標(biāo)系統(tǒng),“系統(tǒng)塊”內(nèi)部組成部分的不同形式的接口交聯(lián)關(guān)系,可以采用不同的內(nèi)部塊圖進(jìn)行表達(dá),即多視圖表達(dá);每張內(nèi)部塊圖只表達(dá)相應(yīng)視圖所關(guān)心的內(nèi)容;系統(tǒng)內(nèi)部的所有組成部分的所有交聯(lián)關(guān)系可以在同一個內(nèi)部塊圖上進(jìn)行集中呈現(xiàn),即“多視圖集成”。

塊定義圖和“塊”“接口”等架構(gòu)建模元素如圖4所示。

圖4 塊定義圖和架構(gòu)建模元素示意圖

如圖4所示,“系統(tǒng)塊”可以被分解為“子系統(tǒng)1”和“組件1”,“子系統(tǒng)1”可以被分解為“組件2”和“組件3”;系統(tǒng)接口包括信號、物質(zhì)和能量(電能)等形式。

內(nèi)部塊圖和接口交聯(lián)關(guān)系的示意如圖5所示。

圖5 內(nèi)部塊圖和接口交聯(lián)關(guān)系示意

如圖5所示,“系統(tǒng)塊”內(nèi)部各組成部分的接口交聯(lián)關(guān)系可以通過“接口”之間的連接線進(jìn)行描述;內(nèi)部塊圖可以反映多層級的系統(tǒng)架構(gòu)接口關(guān)系。

將SysML架構(gòu)建模語言應(yīng)用到飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程,可以實(shí)現(xiàn)基于模型的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)多視圖設(shè)計表達(dá)方法。

2.2 基于模型的多視圖設(shè)計表達(dá)方法

2.2.1 多視圖架構(gòu)建模的基本規(guī)則

基于SysML模型實(shí)現(xiàn)飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖設(shè)計表達(dá)方法,基本規(guī)則主要包括:

(1)使用SysML架構(gòu)建模元素“塊”描述飛機(jī)系統(tǒng)的功能、系統(tǒng)、軟件和硬件設(shè)備;

(2)使用塊定義圖上“塊”的分解關(guān)系描述飛機(jī)系統(tǒng)的功能分解、系統(tǒng)設(shè)備分解等;

(3)使用同一個“塊”的不同內(nèi)部塊圖描述飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的“多視圖獨(dú)立設(shè)計”;

(4)通過同一個“塊”的不同內(nèi)部塊圖的合成機(jī)制實(shí)現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的“多視圖設(shè)計集成”;

(5)通過對飛機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部塊圖上的架構(gòu)元素進(jìn)行篩選,實(shí)現(xiàn)特定分析視圖的構(gòu)建。

比如針對機(jī)輪剎車系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計和建模,可以定義多個視圖,包括但不限于控制信號架構(gòu)視圖、液壓供給架構(gòu)視圖、輸入輸出信號架構(gòu)視圖、狀態(tài)反饋信號架構(gòu)視圖、電源供給架構(gòu)視圖、軟硬件設(shè)備級架構(gòu)視圖、集成架構(gòu)視圖等。

2.2.2 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖建模過程

對多視角的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程中的架構(gòu)定義部分進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn),并考慮各視角下的多視圖劃分原則,飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖建模過程如圖6所示。

圖6 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖建模過程

如圖6所示,在功能視角建模和物理視角建模中,首先要開展的是“統(tǒng)一功能定義和功能分解建?！焙汀敖y(tǒng)一設(shè)備定義和設(shè)備分解結(jié)構(gòu)建?！?統(tǒng)一的架構(gòu)元素分解結(jié)構(gòu)定義是后續(xù)多層級、多系統(tǒng)、多接口形式系統(tǒng)架構(gòu)有效集成的基礎(chǔ)。

2.2.3 多視圖劃分原則和具體建模方法

功能視角下的飛機(jī)系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計是抽象層面的設(shè)計,只進(jìn)行多層級的視圖劃分,即飛機(jī)級功能架構(gòu)視圖和系統(tǒng)級功能架構(gòu)視圖。

功能架構(gòu)建模需要首先使用塊定義圖進(jìn)行飛機(jī)級和系統(tǒng)級的統(tǒng)一功能定義和功能分解結(jié)構(gòu)建模,如圖7所示。

圖7 統(tǒng)一功能定義和功能分解結(jié)構(gòu)

如圖7所示,針對“功能飛機(jī)”,可以統(tǒng)一進(jìn)行飛機(jī)級功能和系統(tǒng)級功能的清晰定義,通過塊定義圖可以清晰呈現(xiàn)飛機(jī)級功能和系統(tǒng)級功能之間的分解結(jié)構(gòu)。

“功能飛機(jī)”的飛機(jī)級功能架構(gòu)采用內(nèi)部塊圖進(jìn)行建模,如圖8所示。

圖8 飛機(jī)級功能架構(gòu)

飛機(jī)級功能架構(gòu)模型可以清晰描述飛機(jī)級功能之間的接口交聯(lián)關(guān)系。

飛機(jī)級功能架構(gòu)中,“飛機(jī)級功能2”的系統(tǒng)級功能架構(gòu)模型如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)級功能架構(gòu)

如圖9所示,系統(tǒng)級功能架構(gòu)模型可以清晰描述某一個飛機(jī)級功能下的系統(tǒng)級功能之間的接口交聯(lián)關(guān)系;同時系統(tǒng)級功能的接口交聯(lián)關(guān)系需要受到飛機(jī)級功能接口的約束。

物理視角中,需要引入物理技術(shù)方案并進(jìn)行功能到設(shè)備的分配,存在多種視圖劃分機(jī)制:

(1)以某項(xiàng)系統(tǒng)功能的完整實(shí)現(xiàn)為劃分原則;

(2)以接口形式的不同類別為劃分原則;

(3)以具體的設(shè)計分析目標(biāo)為劃分原則;

(4)以軟件和硬件項(xiàng)為劃分原則。

以某項(xiàng)系統(tǒng)功能的完整實(shí)現(xiàn)為劃分原則時,在該視圖中對系統(tǒng)功能涉及到的所有物理設(shè)備和軟件及其之間的接口交聯(lián)關(guān)系進(jìn)行初步定義;該視圖劃分原則通常在進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)初步物理架構(gòu)設(shè)計時選用。初步物理架構(gòu)設(shè)計時,需要首先進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)備定義和分解結(jié)構(gòu)建模,如圖10所示。

圖10 統(tǒng)一設(shè)備定義和分解結(jié)構(gòu)

如圖10所示,通過塊定義圖可以清晰地呈現(xiàn)飛機(jī)系統(tǒng)物理設(shè)備的統(tǒng)一定義和分解結(jié)構(gòu)。

“系統(tǒng)2”用于實(shí)現(xiàn)“飛機(jī)級功能2”以及相應(yīng)的“系統(tǒng)級功能2、系統(tǒng)級功能3和系統(tǒng)級功能4”,其中“設(shè)備4”實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)級功能3”,“設(shè)備3”實(shí)現(xiàn)“系統(tǒng)級功能2”和“系統(tǒng)級功能4”,可以采用內(nèi)部塊圖對“系統(tǒng)2”完整實(shí)現(xiàn)“飛機(jī)級功能2”的初步物理架構(gòu)進(jìn)行建模,如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)2初步物理架構(gòu)

如圖11所示,飛機(jī)系統(tǒng)的初步物理架構(gòu)模型可以清晰描述相應(yīng)飛機(jī)級和系統(tǒng)級功能的完整實(shí)現(xiàn);具體的,功能由設(shè)備實(shí)現(xiàn),而功能架構(gòu)中的功能接口可以被初步物理架構(gòu)上的物理接口進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

以接口形式的不同類別為劃分原則時,在每張視圖中對特定形式的接口架構(gòu)進(jìn)行描述;該視圖劃分原則通常在進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)詳細(xì)物理架構(gòu)設(shè)計時選用,尤其是在引入架構(gòu)安全性設(shè)計特征比如冗余機(jī)制后。

在開展飛機(jī)系統(tǒng)的詳細(xì)物理架構(gòu)設(shè)計時通常會引入冗余機(jī)制,系統(tǒng)設(shè)備間的接口會變得非常復(fù)雜,此時需要對物理架構(gòu)進(jìn)行不同接口形式的視圖劃分。

“系統(tǒng)2”詳細(xì)物理架構(gòu)的信號接口視圖、物質(zhì)接口視圖、電能接口視圖模型如圖12所示。

圖12 系統(tǒng)2的不同接口形式視圖

如圖12所示,在劃分不同的接口形式后,各接口形式視圖中的架構(gòu)模型可以保持簡潔清晰的表達(dá)效果。

在完成詳細(xì)物理架構(gòu)的多接口視圖建模后,實(shí)際上已經(jīng)構(gòu)建了“系統(tǒng)2”的詳細(xì)物理架構(gòu)模型;對“系統(tǒng)2”詳細(xì)物理架構(gòu)模型的架構(gòu)元素進(jìn)行重構(gòu),即可得到“系統(tǒng)2”的集成架構(gòu)視圖,如圖13所示。

圖13 系統(tǒng)2詳細(xì)物理架構(gòu)集成視圖

如圖13所示,在完成某系統(tǒng)的不同接口形式視圖的架構(gòu)設(shè)計和建模后,可以對各接口形式的視圖進(jìn)行“合并”,形成系統(tǒng)詳細(xì)物理架構(gòu)的集成視圖?；谙到y(tǒng)的集成架構(gòu)視圖,可以開展系統(tǒng)的全局初步安全評估等設(shè)計分析工作。

以具體的設(shè)計分析目標(biāo)為劃分原則時,在每張視圖中抽取與設(shè)計分析目標(biāo)相關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)元素;該視圖劃分原則通常在進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計分析和多種架構(gòu)的權(quán)衡分析時選用。

比如在針對“物理飛機(jī)”的“物質(zhì)消耗”特性進(jìn)行分析時,需要抽取“系統(tǒng)1”和“系統(tǒng)2”中的相關(guān)架構(gòu)元素,構(gòu)成“物質(zhì)消耗分析視圖”,如圖14所示。

圖14 多系統(tǒng)物質(zhì)消耗分析視圖

如圖14所示,在完成各飛機(jī)系統(tǒng)的詳細(xì)物理架構(gòu)設(shè)計和建模后,可以針對特定的設(shè)計分析目標(biāo),抽取必要的架構(gòu)元素重構(gòu)為特定的分析視圖模型。該分析視圖可以被導(dǎo)入到專業(yè)仿真分析軟件中,作為仿真模型建立的框架約束。

以軟件和硬件項(xiàng)為劃分原則時,需要考慮具體的計算機(jī)設(shè)備、具體的總線類型等;該視圖劃分原則通常在進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)的最終設(shè)備級物理架構(gòu)方案定義時選用,支持飛機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)品規(guī)范的定義。

在完成飛機(jī)系統(tǒng)的詳細(xì)物理架構(gòu)設(shè)計和分析后,可以為飛機(jī)系統(tǒng)定義軟件和硬件構(gòu)型項(xiàng),支持最終飛機(jī)系統(tǒng)物理架構(gòu)方案的定義。

典型情況下,“系統(tǒng)2”的“設(shè)備3”由“控制計算機(jī)”實(shí)現(xiàn),“設(shè)備4”由“作動器”實(shí)現(xiàn),“設(shè)備3”的兩個功能(“系統(tǒng)級功能2”和“系統(tǒng)級功能4”)分別由“應(yīng)用軟件1”和“應(yīng)用軟件2”實(shí)現(xiàn),“系統(tǒng)2”的軟硬件構(gòu)型項(xiàng)定義模型如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)2的軟硬件構(gòu)型項(xiàng)定義

如圖15所示,飛機(jī)系統(tǒng)在完成詳細(xì)物理架構(gòu)設(shè)計和分析后,可以通過軟硬件構(gòu)型項(xiàng)定義模型描述飛機(jī)系統(tǒng)的配置方案。

基于系統(tǒng)構(gòu)型項(xiàng)定義模型,可以進(jìn)一步明確構(gòu)型項(xiàng)之間的接口形式,比如“系統(tǒng)2”軟硬件架構(gòu)模型的“總線端口”視圖如圖16所示。

圖16 系統(tǒng)2軟硬件架構(gòu)總線端口視圖

如圖16所示,飛機(jī)系統(tǒng)的軟硬件架構(gòu)視圖可以清晰描述軟硬件配置項(xiàng)之間的各種形式的端口連接關(guān)系,包括總線連接關(guān)系等。

在完成飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖建模過程后,即得到飛機(jī)系統(tǒng)“統(tǒng)一且完備”的物理架構(gòu)設(shè)計模型;基于統(tǒng)一的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型,可以開展多種形式的系統(tǒng)架構(gòu)集成視圖的構(gòu)建和分析。

2.2.4 基于多視圖模型的多系統(tǒng)架構(gòu)集成

基于多視圖的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型,可以開展飛機(jī)級的多系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計集成。

針對“物理飛機(jī)”,在完成各系統(tǒng)的詳細(xì)物理架構(gòu)設(shè)計和建模后,可以構(gòu)建飛機(jī)級的詳細(xì)物理架構(gòu)集成視圖,如圖17所示。

圖17 飛機(jī)級詳細(xì)物理架構(gòu)集成視圖

如圖17所示,飛機(jī)級詳細(xì)物理架構(gòu)集成視圖模型可以清晰描述不同系統(tǒng)間的交聯(lián)關(guān)系,可以有效支持飛機(jī)級的多系統(tǒng)虛擬集成。

通過貫徹多視圖建模過程和多視圖劃分原則,多層級、多系統(tǒng)、多接口形式的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計可以在多張相互關(guān)聯(lián)和協(xié)調(diào)的簡潔視圖中被充分解耦并降低復(fù)雜性;各專業(yè)可以在“統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)模型”的不同視圖中協(xié)同開展工作,明確的界面和清晰的接口,可以支持有效的多專業(yè)合作。

3 飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的多視圖架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的多視圖建模過程,本節(jié)以飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)為例,給出基于模型的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)多視圖設(shè)計表達(dá)方法的應(yīng)用實(shí)踐。

3.1 飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)簡介

機(jī)輪剎車系統(tǒng)與地面擾流板系統(tǒng)和發(fā)動機(jī)反推系統(tǒng)共同實(shí)現(xiàn)飛機(jī)級的“地面減速功能”,其中,機(jī)輪剎車系統(tǒng)的系統(tǒng)級功能包括人工剎車功能、自動剎車功能和防滑保護(hù)功能。

機(jī)輪剎車系統(tǒng)主要由駕駛艙操縱部件、剎車控制單元、液壓作動器以及壓力/溫度傳感器等組成。

3.2 機(jī)輪剎車系統(tǒng)的多視圖架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)“不同類別的接口形式”多視圖劃分原則,機(jī)輪剎車系統(tǒng)的物理架構(gòu)設(shè)計過程如下。

(1)根據(jù)選定的技術(shù)方案,機(jī)輪剎車系統(tǒng)的統(tǒng)一設(shè)備定義和分解(部分)如圖18所示。

圖18 機(jī)輪剎車系統(tǒng)統(tǒng)一設(shè)備定義和分解

(2)根據(jù)多視圖劃分原則,機(jī)輪剎車系統(tǒng)的控制架構(gòu)視圖模型如圖19所示。

圖19 剎車系統(tǒng)的控制架構(gòu)視圖

剎車控制單元輸入輸出信號的架構(gòu)視圖模型如圖20所示。

圖20 剎車控制單元輸入輸出信號架構(gòu)視圖

3.3 機(jī)輪剎車的單系統(tǒng)集成和多系統(tǒng)集成

在完成機(jī)輪剎車系統(tǒng)的多視圖架構(gòu)建模后,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的系統(tǒng)級架構(gòu)集成,如圖2所示。在完成機(jī)輪剎車系統(tǒng)和相關(guān)接口系統(tǒng)比如液壓系統(tǒng)和指示記錄系統(tǒng)的多視圖架構(gòu)建模后,本質(zhì)上就已經(jīng)完成了“多系統(tǒng)集成架構(gòu)”的設(shè)計;可以對飛機(jī)整機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型進(jìn)行重構(gòu),形成飛機(jī)級機(jī)輪剎車系統(tǒng)的集成架構(gòu)視圖,如圖1所示。

基于飛機(jī)級機(jī)輪剎車系統(tǒng)的集成架構(gòu)模型,可以開展多項(xiàng)設(shè)計分析,比如多方案的整體架構(gòu)權(quán)衡、機(jī)輪剎車系統(tǒng)的性能參數(shù)分析以及飛機(jī)級的架構(gòu)安全性評估等。

3.4 機(jī)輪剎車系統(tǒng)的多視圖架構(gòu)設(shè)計小結(jié)

通過對基于模型的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)多視圖設(shè)計表達(dá)方法的應(yīng)用,飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計過程呈現(xiàn)出以下特點(diǎn):

(1)通過貫徹統(tǒng)一的架構(gòu)元素定義和分解,飛機(jī)級、系統(tǒng)級、設(shè)備級、軟硬件級的架構(gòu)可以不斷細(xì)化設(shè)計,可以充分保持多層級架構(gòu)間的設(shè)計一致性;

(2)通過貫徹“自頂向下”的架構(gòu)設(shè)計和建模過程,機(jī)輪剎車系統(tǒng)與液壓系統(tǒng)、起落架系統(tǒng)等可以協(xié)同開展設(shè)計和建模,并實(shí)時完成當(dāng)前整機(jī)系統(tǒng)設(shè)計狀態(tài)的集成;

(3)通過統(tǒng)一的接口定義和多視圖劃分原則的應(yīng)用,帶有冗余特性的機(jī)輪剎車系統(tǒng)的復(fù)雜接口可以被清晰一致且完備的設(shè)計和集成;

(4)各專業(yè)都可以在各自特定的視圖中進(jìn)行機(jī)輪剎車系統(tǒng)架構(gòu)不同特性的設(shè)計,并實(shí)時將設(shè)計結(jié)果通過“統(tǒng)一的機(jī)輪剎車系統(tǒng)架構(gòu)模型”共享給其他專業(yè),實(shí)現(xiàn)多專業(yè)間的合作。

實(shí)踐表明,多視圖架構(gòu)建模方法可以極大降低飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的工作量:

(1)在物理架構(gòu)定型前,如果采用傳統(tǒng)基于文檔的設(shè)計方法,各專業(yè)需要開展大量的工作進(jìn)行紙面設(shè)計協(xié)同(包括功能邏輯的交聯(lián)、接口的匹配等),效率很低且極易出錯;

(2)在引入多視圖架構(gòu)建模方法后,系統(tǒng)間設(shè)計協(xié)調(diào)的時間可以得到充分的縮短,減少了“低效且瑣碎的工作量”,雖然增加了“通過建模開展協(xié)同設(shè)計的工作量”,但整體上是“充分降低了工作量”。

4 結(jié) 論

針對“飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜性”與“缺乏有效的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計表達(dá)方法”之間的矛盾,本文提出了“基于模型的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)多視圖設(shè)計方法”,將SysML架構(gòu)建模語言和多視圖策略引入到飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中,該方法具有以下特點(diǎn):

(1)利用SysML建模語言的特點(diǎn),對多層級、多系統(tǒng)集成、多接口形式和多專業(yè)合作的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計進(jìn)行解耦,將緊密關(guān)聯(lián)在一起的系統(tǒng)設(shè)計工作分解到多張架構(gòu)視圖中,充分降低每張視圖的復(fù)雜性,進(jìn)而降低相應(yīng)設(shè)計分析工作的難度;

(2)將多視角的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計過程與多視圖的建模規(guī)則進(jìn)行了融合,自頂向下開展飛機(jī)系統(tǒng)多視圖架構(gòu)建模的過程本質(zhì)上就是開展多系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計集成的過程,在完成多層級不斷細(xì)化的架構(gòu)建模后,本質(zhì)上就已經(jīng)構(gòu)建了整機(jī)協(xié)調(diào)的系統(tǒng)架構(gòu)集成模型,并完成了飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)綜合設(shè)計。

具體的:① 通過貫徹統(tǒng)一的架構(gòu)元素定義和分解,可以充分保持多層級架構(gòu)間的設(shè)計一致性;② 通過貫徹“自頂向下”的架構(gòu)設(shè)計和建模過程,飛機(jī)多系統(tǒng)之間可以協(xié)同開展設(shè)計和建模,并實(shí)時完成當(dāng)前設(shè)計狀態(tài)的集成;③ 通過統(tǒng)一的接口定義和多視圖劃分原則的應(yīng)用,帶有冗余特性的飛機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜接口可以被清晰一致且完備的設(shè)計和集成;④ 不同專業(yè)可以在各自的視圖中進(jìn)行相應(yīng)系統(tǒng)架構(gòu)不同特性的設(shè)計,并實(shí)時將設(shè)計結(jié)果通過“統(tǒng)一的系統(tǒng)架構(gòu)模型”共享給其他專業(yè),實(shí)現(xiàn)多專業(yè)合作,在提高工作效率的同時確保系統(tǒng)綜合設(shè)計的高質(zhì)量。

飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計在多視圖的靜態(tài)表達(dá)之外,還要開展充分的全局動態(tài)行為邏輯分析,以確認(rèn)靜態(tài)架構(gòu)設(shè)計的正確性;下一步研究工作是開展基于模型的飛機(jī)復(fù)雜系統(tǒng)行為設(shè)計和分析。