支持MBSE的系統(tǒng)全過程設(shè)計(jì)應(yīng)用框架研究與實(shí)現(xiàn)

胡峻豪， 馮 雷， 朱 睿， 李榮強(qiáng)

（中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，成都 610091）

胡峻豪 碩士，畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院，現(xiàn)就職于中航工業(yè)成都飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，研究方向?yàn)榛谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程、多學(xué)科聯(lián)合仿真。

由于在成本和效率方面的巨大優(yōu)勢(shì)，計(jì)算機(jī)仿真已成為當(dāng)前工程研制的必要環(huán)節(jié)。但目前的計(jì)算機(jī)仿真多集中在物理仿真層面，通過建立系統(tǒng)物理模型，模擬系統(tǒng)工作原理，分析系統(tǒng)性能；對(duì)于前期需求與功能邏輯建模重視不夠，無法將系統(tǒng)的需求、功能和性能作為一個(gè)有機(jī)整體來分析、驗(yàn)證，從而造成頂層設(shè)計(jì)與專業(yè)工程設(shè)計(jì)間反復(fù)迭代。

針對(duì)上述情況，近年興起了基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based System Engineering，MBSE）方法論[1]，在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，采用SysML和UML作為描述系統(tǒng)功能和行為的建模語言，使用模型狀態(tài)機(jī)精確描述系統(tǒng)的功能邏輯和故障處理模式，建立系統(tǒng)的功能模型，并通過模型的仿真、驗(yàn)證，分析需求的滿足程度和系統(tǒng)的功能邏輯流轉(zhuǎn)，方便設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期驗(yàn)證設(shè)計(jì)的全面性和正確性。

如果能將系統(tǒng)的功能模型和物理模型聯(lián)合起來，則可用系統(tǒng)功能模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)行為處理邏輯和故障處理模式，用其結(jié)果驅(qū)動(dòng)物理模型，并根據(jù)物理模型仿真結(jié)果改善功能模型，實(shí)現(xiàn)基于系統(tǒng)功能、物理模型的確認(rèn)、驗(yàn)證，大大降低設(shè)計(jì)成本、縮短研制周期。

但是，由于系統(tǒng)建模語言與傳統(tǒng)物理建模語言存在很大差異，導(dǎo)致同一系統(tǒng)的功能模型和物理模型難以交互和協(xié)作。Carloni等[2]通過詳細(xì)分析和比較常用工具的語義規(guī)范，提出了HSIF（Hybrid Systems Interchange Format），用以調(diào)解工具間差異，但該方法要求建模工作者深入了解軟件機(jī)理，專業(yè)需求較高；Schamai等[3]提出直接使用Modelica建立UML的狀態(tài)機(jī)，但該機(jī)制的狀態(tài)機(jī)在處理可用事件時(shí)，只能采用全并行的方式，對(duì)于仿真時(shí)拍不好控制；Sakairi等[4]嘗試使用S函數(shù)將Simulink模型導(dǎo)入狀態(tài)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了物理模型和功能模型的聯(lián)合仿真，但專用性太強(qiáng),不具有代表性。

基于此，本文選擇功能模型接口FMI（Functional Mockup Interface）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議作為橋梁，利用通用標(biāo)準(zhǔn)接口實(shí)現(xiàn)功能模型和物理模型的信息交互，提出了從系統(tǒng)需求分析、功能建模、物理建模到最終聯(lián)合仿真的支持MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用框架?；诖丝蚣?，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)，只需專注于模型本身，而不用去分析工具底層的差異。同時(shí)，由于打通了功能模型和物理模型的壁壘，在工程樣機(jī)之前即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面驗(yàn)證，減少迭代次數(shù)。

最后，運(yùn)用此設(shè)計(jì)框架設(shè)計(jì)了某飛行器的舵機(jī)伺服系統(tǒng)，并對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果證明該系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架能夠快速設(shè)計(jì)舵機(jī)伺服系統(tǒng)，并能對(duì)其進(jìn)行全面的功能、行為和性能驗(yàn)證。

支持MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用框架

支持MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用框架分為3層：功能模型層，主要描述系統(tǒng)的功能邏輯行為；FMI協(xié)議層，主要用于模型的封裝和協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)不同建模工具和語言間的模型交互；物理模型層，主要用于實(shí)際系統(tǒng)的物理建模和仿真，支持MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用框架如圖1所示。

功能和物理模型之間關(guān)系采用松耦合方式關(guān)聯(lián)：功能模型不考慮物理模型的具體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)，只需關(guān)注系統(tǒng)的功能邏輯；而物理模型也只用考慮真實(shí)物理系統(tǒng)工作原理，兩者通過互留的接口進(jìn)行交互。因此，功能和物理模型可分別設(shè)計(jì)，并行工作，最后通過FMI協(xié)議層進(jìn)行綜合。

在依照前文中的標(biāo)準(zhǔn)完成種子的選擇之后，可以通過科學(xué)的種子處理來增加種子的抗逆性和出苗率。具體措施為先使用15℃的涼水將種子浸濕，隨后放入54℃的溫水中浸泡15分鐘，等水溫冷卻至20℃的時(shí)候再浸泡12小時(shí)左右完成浸種。在浸種完成中，需要進(jìn)行催芽處理。將浸好的種子撈出洗凈之后，用濕布包裹完好，放置于27℃左右的恒溫中催芽3天。需要注意的是，在催芽的過程中每天需要翻動(dòng)幾次包裹，并采用清水進(jìn)行淘洗。通過上述操作，可以大幅度增加種子的出芽速度和出苗率。

此外，由于FMI協(xié)議的通用性，既可以將功能模型封裝導(dǎo)入物理模型，也可以將物理模型封裝導(dǎo)入功能模型。也就是說，在設(shè)計(jì)過程中，既可以自頂向下正向設(shè)計(jì)，也可以自底向上逆向驗(yàn)證、完善。

圖1 支持MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用框架Fig.1 System design application framework for MBSE

1 功能模型層

本層的主要工作是采用MBSE方法論對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行需求分析和功能建模。在需求分析和管理方面，目前已有許多成熟的工具，常見的有CaliberRM、RequisitePro、Doors等。其中，CaliberRM側(cè)重于分布式開發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)作開發(fā)，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，但不支持對(duì)已有文件和信息的重用與共享；RequisitePro側(cè)重于改進(jìn)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的溝通協(xié)調(diào)，增強(qiáng)協(xié)作開發(fā)能力，但需求追蹤和需求變更功能較差；Doors則是基于整個(gè)項(xiàng)目的需求管理系統(tǒng)，用來捕捉、鏈接、跟蹤、分析、管理信息，確保項(xiàng)目與需求和規(guī)范的一致性，是面向管理者、開發(fā)者、追蹤用戶及整個(gè)生命周期的綜合需求管理套件。

功能建模方面，通常使用系統(tǒng)建模語言（Systems Modeling Language,SysML）來創(chuàng)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為、需求和約束的模型。主要建模方法有Weilkiens系統(tǒng)建模（System Modeling，SysMOD）方法、INCOSE面向?qū)ο笙到y(tǒng)工程方法（Object Oriented System Engineering Method，OOSEM）和IBM Telelogic Harmony-SE方 法[1]。 其 中，IBM針 對(duì) 其Harmony-SE方法配備了較成熟的建模工具—Rhapsody，該軟件能很好地覆蓋Harmony-SE方法的整個(gè)設(shè)計(jì)周期，已成為功能建模的主流選擇。

本層設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)過程如下：在需求分析階段采用Doors對(duì)需求進(jìn)行條目化管理，并利用Rhapsody Gateway將需求導(dǎo)入到Rhapsody進(jìn)行需求分析，得到系統(tǒng)需求分析模型，并抽取出用例。在用例基礎(chǔ)上進(jìn)行功能分析和架構(gòu)分析，建立系統(tǒng)活動(dòng)圖、順序圖，定義出系統(tǒng)應(yīng)具備的屬性、操作和行為，并細(xì)分出系統(tǒng)架構(gòu)；其次，根據(jù)角色間交互關(guān)系，生成對(duì)應(yīng)端口，將得到的上述屬性、操作和行為分配到相應(yīng)的端口，得到系統(tǒng)的IBD（Internal Block Diagram）。這里需要注意的是：為滿足后續(xù)FMI的數(shù)據(jù)傳遞要求，此處定義的端口須是流端口（FlowPort）且只能為單向傳遞，各屬性必須有初值。最后,建立系統(tǒng)狀態(tài)圖?？稍诿總€(gè)狀態(tài)內(nèi)通過代碼實(shí)現(xiàn)狀態(tài)邏輯判斷和處理，并通過狀態(tài)間的切換、流轉(zhuǎn)反映系統(tǒng)的功能行為邏輯。將之前得到的屬性、操作和行為合理分配，分別作為狀態(tài)出、入口動(dòng)作，狀態(tài)切換觸發(fā)器和分支判定語句，并根據(jù)需要細(xì)化和補(bǔ)充屬性、操作和行為信息，最終得到可運(yùn)行的狀態(tài)機(jī)。至此，完成系統(tǒng)功能模型的構(gòu)建。

對(duì)于邏輯清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，可以省略絕大部分操作，直接定義出系統(tǒng)的輸入、輸出接口和狀態(tài)切換邏輯，建立系統(tǒng)的IBD和狀態(tài)圖，即可獲得系統(tǒng)功能模型。

2 FMI協(xié)議層

FMI標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種模型封裝形式[6]：“model exchange”和“cosimulation”。兩者最大的區(qū)別是“model exchange”需要仿真工具提供常微分方程（Ordinary Differential Equations，ODE）來執(zhí)行仿真，因此模型需要暴露出所有的內(nèi)部方程；“co-simulation”自帶模型求解器，不需要仿真工具額外提供仿真算法。

這樣看來，“co-simulation”形式似乎更方便、實(shí)用，但該方式在處理離散事件時(shí)效率不高。這是因?yàn)橄到y(tǒng)的功能模型多是基于離散事件表達(dá)的，而“co-simulation”API并不能像“model exchange”API那樣進(jìn)行下一事件時(shí)間報(bào)告。所以，本文最終選擇“model exchange”方式進(jìn)行模型的封裝[7-8]。

封裝函數(shù)基于QTronic提供的FMU SDK調(diào)用其現(xiàn)成的FMI API，使用建模軟件生成的系統(tǒng)模型代碼，封裝上滿足 FMI標(biāo)準(zhǔn)的“wrapper”，其詳細(xì)實(shí)現(xiàn)過程如下。（1）定義輸入、輸出接口和內(nèi)部變量。找到并列出所有需要與外界進(jìn)行交互的接口，并根據(jù)信息的流向分別定義為輸入、輸出端口，同時(shí)對(duì)端口的規(guī)范性進(jìn)行檢查。（2）創(chuàng)建FMU模型描述文件。按照FMI標(biāo)準(zhǔn)定義的XML文件模板，對(duì)第一步中獲得的信息進(jìn)行填充，創(chuàng)建出FMU的模型描述文件：modelDescription.xml，主要用于描述FMU的接口信息。（3）生成系統(tǒng)模型標(biāo)準(zhǔn)代碼。調(diào)用模型軟件的代碼生成器，生成待導(dǎo)出的系統(tǒng)模型代碼。（4）創(chuàng)建FMU “wrapper”。將第3步中的模型代碼按照FMI標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)。FMU “wrapper”支持FMI接口并將其轉(zhuǎn)化為模型軟件對(duì)應(yīng)的接口，在“wrapper”上有對(duì)FMU響應(yīng)的各變量以及一系列內(nèi)部變量（如當(dāng)前仿真時(shí)間等）。絕大多數(shù)的FMI函數(shù)主要用于讀取或設(shè)置這些變量值，最主要的工作通過fmiEventUpdate函數(shù)實(shí)現(xiàn)，其具體實(shí)現(xiàn)過程如下：根據(jù)最近一次調(diào)用fmiSetTime獲得的時(shí)間來設(shè)置模型軟件時(shí)間；根據(jù)先前的fmiSetXXX（變量名）來設(shè)置塊輸入變量；調(diào)用模型軟件生成的代碼來執(zhí)行一個(gè)行為步長(zhǎng)；更新“wrapper”上FMU輸出所對(duì)應(yīng)的變量；將下一事件時(shí)間設(shè)為最早的超時(shí)門限。（5）編譯并封裝FMU。將上述步驟中的模型代碼和模型描述文件按FMI標(biāo)準(zhǔn)封裝為.fmu文件。

3 物理模型層

本層的主要功能是搭建系統(tǒng)的物理模型，模擬系統(tǒng)的真實(shí)運(yùn)行場(chǎng)景，獲取系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

當(dāng)前各專業(yè)的仿真軟件有很多，分別為針對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)領(lǐng)域的問題進(jìn)行建模仿真，如用于多體動(dòng)力學(xué)建模的ADAMS、控制仿真的Matlab/Simulink、機(jī)械液壓的AMESim等，但隨著當(dāng)前系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度越來越高，單一的專業(yè)仿真軟件已無法勝任完整的系統(tǒng)建模工作[9]。

基于此，本文選擇了統(tǒng)一建模語言Modelica。它采用面向?qū)ο蠛徒M件的思想，對(duì)不同領(lǐng)域物理系統(tǒng)的模型進(jìn)行統(tǒng)一表述，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模，并且建立的模型能真實(shí)反映系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。同時(shí)，其基于方程的非因果建模方式極大地減輕了建模工作量（尤其是復(fù)雜系統(tǒng)），還可避免因公式轉(zhuǎn)換和推導(dǎo)引起的錯(cuò)誤，保證了模型的健壯性。此外，Modelica還支持層次結(jié)構(gòu)建模，語言本身帶有可重用的機(jī)械、電子、液壓、控制、熱流等領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)庫和擴(kuò)展庫，用戶還可建立自定義的領(lǐng)域模型庫，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的重用。

當(dāng)前，基于Modelica的建模仿真工具層出不窮，常見的有Dymola、OpenModelica和SimulationX。其中Dymola作為Modelica的原生工具，擁有最及時(shí)的Modelica原生庫和建模規(guī)范更新，是最純粹的Modelica建模工具；OpenModelica是基于Modelica語言的開源軟件，其最大的好處是免費(fèi)且安裝方便，能滿足基本的建模需求，但模型庫匱乏、功能簡(jiǎn)單，可看作Dymola的精簡(jiǎn)版；SimulationX是德國ITI公司開發(fā)的基于Modelica的商業(yè)建模軟件，不僅有完整的Modelica模型庫，還提供了豐富的自主開發(fā)的商業(yè)模型庫，并提供二次開發(fā)平臺(tái)TypeDesigner，用戶不僅可以直接對(duì)SimulationX所有模型進(jìn)行修改，還可以基于Modelica語言創(chuàng)建新的模型，并能夠把用戶自己的C代碼模型以圖形化模塊的方式集成進(jìn)SimulationX軟件包，能滿足大型、多物理系統(tǒng)的建模需求。SimulationX還支持FMI協(xié)議，滿足本設(shè)計(jì)框架的聯(lián)合仿真需求。因此本文選擇SimulationX作為物理建模層的建模和仿真工具。

某飛行器舵機(jī)伺服系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證

基于上述應(yīng)用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了某飛行器舵機(jī)伺服系統(tǒng)[10-11]?？紤]到舵機(jī)伺服系統(tǒng)主要邏輯判斷和處理在舵機(jī)控制器（Actuator Control Equipment,ACE）進(jìn)行，因此功能模型主要針對(duì)ACE子系統(tǒng)，其與作動(dòng)器的交互通過消息傳遞，物理模型主要針對(duì)物理作動(dòng)、執(zhí)行單元，功能和物理設(shè)計(jì)同步進(jìn)行，最后通過FMI協(xié)議層進(jìn)行模型匯總和聯(lián)合仿真。具體過程如下：

首先，采用Doors對(duì)舵機(jī)伺服系統(tǒng)的需求進(jìn)行條目化管理，并利用Rhapsody Gateway將其導(dǎo)入到Rhapsody進(jìn)行需求分析，得到該伺服系統(tǒng)的需求分析模型，如圖2所示。

其次，根據(jù)第1節(jié)中所述方法構(gòu)建系統(tǒng)功能模型，其接口IBD如圖3（a）所示；系統(tǒng)的具體功能行為和故障處理邏輯通過狀態(tài)流轉(zhuǎn)及狀態(tài)處理算法（寫在各狀態(tài)中）實(shí)現(xiàn)，最終狀態(tài)如圖3（b）所示。

圖2 系統(tǒng)需求分析模型Fig.2 System requirement analysis model

圖3 系統(tǒng)功能模型Fig.3 System functional model

物理模型層則是采用SimulationX構(gòu)建舵機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的物理模型，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)使用“主主式”工作方式：當(dāng)單通道發(fā)生故障時(shí)，另一通道接管故障通道職能，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)系統(tǒng)抽象、簡(jiǎn)化后模型如圖4所示。

功能和物理模型設(shè)計(jì)完成后，即可通過FMI協(xié)議層進(jìn)行模型的匯總和聯(lián)合仿真。具體做法如下：將功能模型，通過FMI協(xié)議層封裝為FMU模型，作為帶接口的功能塊導(dǎo)入到SimulationX中，并將其接口與相應(yīng)的物理模型連接，得到系統(tǒng)的聯(lián)合仿真模型，如圖5所示；最后，給出相應(yīng)的初始信號(hào)，設(shè)置好仿真求解器和步長(zhǎng)，即可進(jìn)行功能和物理模型的聯(lián)合仿真。圖6為雙通道正常模式下聯(lián)合仿真結(jié)果：從圖6（a）可以看出，當(dāng)A、B通道有效性值在整個(gè)仿真過程保持為1（即正常）時(shí)，舵機(jī)位置曲線（具體位置信息已作歸一化處理）如圖6（b）所示，能很好地跟隨輸入指令曲線。

圖7為單通道故障模式仿真圖。從圖7（a）中可以看出，在仿真時(shí)間40～70s時(shí)，令B通道故障（即B通道有效性值為0），舵機(jī)位置響應(yīng)曲線（如圖7（b）所示）在故障切換時(shí)，發(fā)生抖動(dòng)并很快恢復(fù)正常，滿足單通道故障模式下的位置跟隨。

由以上仿真分析可以看出，舵機(jī)在正常和故障模式下都能很好地響應(yīng)位置指令，并且能在發(fā)生故障時(shí)按要求進(jìn)行模式切換，在模式切換的瞬間有振顫，并且很快恢復(fù)正常，及時(shí)跟隨位置指令，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)需求。

圖4 系統(tǒng)物理模型Fig.4 System physical model

圖5 聯(lián)合仿真模型Fig.5 Co-simulation model

圖6 雙通道正常模式仿真Fig.6 Dual-channel normal simulation

圖7 單通道故障模式仿真Fig.7 Single-channel failure simulation

結(jié)束語

本文提出的支持MBSE的系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用框架為大型、多物理領(lǐng)域系統(tǒng)提供了整體設(shè)計(jì)思路，使設(shè)計(jì)人員在初步設(shè)計(jì)階段即可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面的需求、架構(gòu)、功能和性能仿真驗(yàn)證，覆蓋從需求到物理元件的設(shè)計(jì)全過程，可避免后期工程物理樣機(jī)的研制出現(xiàn)反復(fù)，從而達(dá)到降低設(shè)計(jì)成本、提高效率的目的。

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