基于MBSE在航空電子通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

薛　威,賈超群,李　雯,史　巖

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 第15室,陜西 西安　710065)

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基于MBSE在航空電子通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

薛威,賈超群,李雯,史巖

(中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所 第15室,陜西 西安710065)

摘要在航空電子通信系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程中,針對(duì)基于文檔的傳統(tǒng)開發(fā)方法中存在的開發(fā)周期長(zhǎng)、需求驗(yàn)證困難以及更改流程復(fù)雜等問(wèn)題,文中提出了應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)方法?；诤娇蘸教祛I(lǐng)域中主流的Harmony方法,通過(guò)需求分析、功能分析和設(shè)計(jì)綜合依次建立了需求模型、功能模型和物理架構(gòu)模型。該方法保證了數(shù)據(jù)的可追溯性,提高了設(shè)計(jì)效率,降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),可為MBSE方法在航電系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞基于模型的系統(tǒng)工程;航空電子通信系統(tǒng);Harmony流程

機(jī)載航空電子系統(tǒng)涵蓋了通信導(dǎo)航、雷達(dá)、電子戰(zhàn)、飛行控制和管理等子系統(tǒng),同時(shí)也包括這些系統(tǒng)間用于信息交換和資源共享的信息綜合系統(tǒng)。航空電子通信系統(tǒng)承擔(dān)者航空電子系統(tǒng)各功能模塊之間進(jìn)行信息交互的重要職責(zé),作為航空電子系統(tǒng)的“骨架”和“神經(jīng)”,其性能優(yōu)劣直接決定著航空電子系統(tǒng)綜合化程度的高低。

目前,航空電子通信系統(tǒng)研發(fā)流程主要以基于文檔的傳統(tǒng)形式進(jìn)行開發(fā)與管理,該方法對(duì)于需求的描述存在不確定性,各類需求之間沒(méi)有建立追溯關(guān)系,加上文檔評(píng)審困難、版本混亂,導(dǎo)致這一方法存在開發(fā)周期長(zhǎng)、需求驗(yàn)證困難以及更改流程復(fù)雜等諸多問(wèn)題。隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大,研制周期縮短,性能指標(biāo)要求提升,研制流程管理的難度大幅度提升[1]。

基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)是一種跨領(lǐng)域、跨學(xué)科的系統(tǒng)化思維方法,MBSE方法將“一切基于模型”的理念貫穿產(chǎn)品全生命周期,通過(guò)圖形化、結(jié)構(gòu)化和模型化的方法,使整個(gè)系統(tǒng)變得清晰、規(guī)范、易于維護(hù),最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與管理過(guò)程。MBSE方法有效的解決了基于文檔設(shè)計(jì)方法在需求驗(yàn)證、技術(shù)狀態(tài)管理、數(shù)據(jù)可追溯性等方面面臨的問(wèn)題,MBSE已成為近年來(lái)航空航天領(lǐng)域研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。

1SysML語(yǔ)言體系結(jié)構(gòu)

MBSE使用的建模語(yǔ)言種類眾多,如IDEF0、行為圖、N2圖等,這些建模語(yǔ)言使用的符號(hào)和語(yǔ)義不同,造成彼此之間信息不能重用。缺乏統(tǒng)一的建模語(yǔ)言,嚴(yán)重限制了系統(tǒng)工程和其他學(xué)科之間的有效融合,阻礙了系統(tǒng)工程的發(fā)展進(jìn)程。為支持MBSE,由對(duì)象管理組織(Object Management Group,OMG)和國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(International Council on Systems Engineering,INCOSE)在對(duì)軟件工程統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Unified Modeling Language,UML)進(jìn)行復(fù)用和擴(kuò)展的基礎(chǔ)上,合作開發(fā)了系統(tǒng)建模語(yǔ)言(Systems Modeling Language,SysML),SysML[2]與UML[3]的關(guān)系如圖1所示。

圖1　SysML語(yǔ)言和UML語(yǔ)言

SysML語(yǔ)言提供了對(duì)系統(tǒng)的需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)進(jìn)行圖形化表達(dá)的語(yǔ)義和語(yǔ)法基礎(chǔ),能夠描述、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證包含硬件、軟件、設(shè)備、人員和信息的復(fù)雜系統(tǒng)。SysML語(yǔ)言是基于UML語(yǔ)言在系統(tǒng)工程領(lǐng)域的繼承和擴(kuò)展,為系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)階段提供了一種工作流程和分析手段,現(xiàn)在已經(jīng)成為系統(tǒng)工程的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言[4]。

MBSE方法使用“服務(wù)請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)”的建模方法,使用方框作為基本結(jié)構(gòu)元素,通過(guò)SysML模型圖描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。建模過(guò)程中常用的SysML圖包括需求圖、用例圖、活動(dòng)圖、順序圖、塊定義圖、內(nèi)部塊圖和狀態(tài)機(jī)圖,SysML圖的分類如圖2所示。

圖2　SysML圖的分類

2Harmony綜合系統(tǒng)和開發(fā)流程

目前,國(guó)內(nèi)外不同行業(yè)和組織對(duì)MBSE的方法論進(jìn)行了深入的研究與實(shí)現(xiàn),如IBM Telelogic的Harmony-Se,Incose面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法,Vitech基于模型的系統(tǒng)工程方法論等[5],其中IBM Telelogic的Harmony-Se在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛。圖3描述了Harmony綜合系統(tǒng)和軟硬件開發(fā)流程。

圖3　Harmony綜合系統(tǒng)和軟硬件開發(fā)流程V形圖

V形圖的左半部分描述了自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程,完成了系統(tǒng)的分解和定義,V形圖的右半部分描述了自底向上的整合過(guò)程,完成系統(tǒng)的綜合和驗(yàn)證。從V形圖中可看出,Harmony-SE系統(tǒng)工程開發(fā)流程分為3個(gè)順序的開發(fā)流程:需求分析、系統(tǒng)功能分析、設(shè)計(jì)綜合。值得注意的是,Harmony流程在某種程度上反映了Forsberg與Moog的“V形”生命周期開發(fā)模型[6-7]。

基于IBM的Harmony系統(tǒng)工程開發(fā)流程的Rhapsody應(yīng)用軟件,是目前業(yè)界應(yīng)用較廣的MBSE開發(fā)平臺(tái),本文對(duì)航空電子通信系統(tǒng)的研制設(shè)計(jì)采用了IBM公司的Doors和Rhapsody軟件。

3MBSE方法的應(yīng)用與實(shí)踐

航空電子通信系統(tǒng)承擔(dān)著航空電子系統(tǒng)內(nèi)所有信息交互的重要任務(wù),航空電子通信系統(tǒng)通常采用GJB289A時(shí)分制指令/響應(yīng)多路傳輸數(shù)據(jù)總線[8],GJB289A總線上數(shù)據(jù)的正確性直接影響到整個(gè)航空電子系統(tǒng)的通信。針對(duì)GJB289A總線通信系統(tǒng),研究了基于MBSE方法進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用,根據(jù)Harmony-SE系統(tǒng)工程開發(fā)的3個(gè)流程,完成了需求管理與開發(fā)、系統(tǒng)功能定義與分解、架構(gòu)的設(shè)計(jì)與綜合工作。

3.1需求分析

需求分析的主要目的是對(duì)用戶需求進(jìn)行梳理和分類,篩選出其中的功能需求,根據(jù)不同的功能需求建立相應(yīng)的用例,用例的創(chuàng)建是需求模型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。每個(gè)用例分別與相關(guān)的功能需求存在追溯關(guān)系,Rhapsody可創(chuàng)建這些用例與需求庫(kù)(由Rational Doors 管理)中功能需求的鏈接關(guān)系,以此保證模型對(duì)需求的追溯性[9]。

本文對(duì)GJB289A總線通信系統(tǒng)進(jìn)行需求建模時(shí),創(chuàng)建了3個(gè)用例、6個(gè)參與者,確定了其之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如圖4所示。3個(gè)用例分別是在線編程、通信和網(wǎng)絡(luò)管理,功能分析和設(shè)計(jì)綜合都是基于用例及其與參與者的交互開展設(shè)計(jì)和分析。

建立用例圖的一項(xiàng)重要操作是定義系統(tǒng)邊界,與系統(tǒng)交互的所有外部元素均稱為參與者,包括飛行員、飛機(jī)上其他系統(tǒng)、外部環(huán)境等。由此就明確了系統(tǒng)與外部的交互關(guān)系,為后期生成IBD圖和ICD文件打下基礎(chǔ)。

圖4　GJB289A總線通信系統(tǒng)用例圖

3.2功能分析

功能分析階段的目的是分析系統(tǒng)與外部的信息交互模式和系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀態(tài),無(wú)需關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu),因此被稱為黑盒設(shè)計(jì)。基于需求分析建立的系統(tǒng)模型,功能分析的目的是建立能夠描述系統(tǒng)功能及其相關(guān)元素的一系列模型,主要包括活動(dòng)圖、順序圖、內(nèi)部塊圖和狀態(tài)機(jī),功能分析是針對(duì)每個(gè)用例展開的。

活動(dòng)圖的意義在于規(guī)定了功能之間的邏輯關(guān)系、確定操作的執(zhí)行順序、明確系統(tǒng)行為。模型的基本元素,如操作、屬性、事件,大多在該階段定義完成,活動(dòng)圖中的ActorPin表明了系統(tǒng)與外部的信息交互關(guān)系,活動(dòng)圖是建立順序圖和狀態(tài)機(jī)的基礎(chǔ)。圖5展示了部分網(wǎng)絡(luò)管理用例的活動(dòng)圖,即網(wǎng)絡(luò)管理功能流程。

圖5　網(wǎng)絡(luò)管理用例活動(dòng)圖

順序圖分析了活動(dòng)圖中記錄的系統(tǒng)與外界交互的過(guò)程。順序圖的意義在于能夠在其基礎(chǔ)上生成代表系統(tǒng)功能的基本操作和交互過(guò)程的事件?；顒?dòng)圖中一般包含諸多分支,取決于可讀性的考慮,應(yīng)對(duì)典型的功能流程單獨(dú)生成順序圖,即所謂場(chǎng)景分析。需要指出順序圖的集合必須覆蓋活動(dòng)圖中所有的分支,但沒(méi)有必要覆蓋所有場(chǎng)景[10]。

狀態(tài)機(jī)表達(dá)了系統(tǒng)基于狀態(tài)的行為,狀態(tài)機(jī)是每一階段工作的核心交付產(chǎn)物。狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行結(jié)果是驗(yàn)證系統(tǒng)是否符合系統(tǒng)需求的重要手段。圖6展示了上文系統(tǒng)的狀態(tài)行為,分析圖5可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在3個(gè)并行的狀態(tài)群:網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)檢查,帶寬負(fù)載檢查和錯(cuò)誤檢查。

圖6　網(wǎng)絡(luò)管理用例狀態(tài)圖

3.3設(shè)計(jì)綜合

設(shè)計(jì)綜合是在綜合考慮所有系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)的架構(gòu)分析與設(shè)計(jì),將系統(tǒng)拆分成子系統(tǒng),基于統(tǒng)一架構(gòu)對(duì)每個(gè)用例按子系統(tǒng)進(jìn)行功能分解與分配。需要完成子系統(tǒng)級(jí)的功能流程定義、識(shí)別子系統(tǒng)與外界及各子系統(tǒng)之間的交互、完成各子系統(tǒng)的狀態(tài)行為定義并通過(guò)模型的執(zhí)行對(duì)需求進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn),這一過(guò)程也稱為白盒分析[11]。

設(shè)計(jì)綜合階段的系統(tǒng)模型同樣包括活動(dòng)圖、順序圖和狀態(tài)機(jī),所以建模過(guò)程同功能分析類似。不同于黑盒模型,白盒模型細(xì)化了系統(tǒng)的操作,著重分析了子系統(tǒng)的行為、子系統(tǒng)之間的交互及子系統(tǒng)與外部的交互關(guān)系。圖7為白盒分析階段的內(nèi)部塊圖,從圖中可看出,將系統(tǒng)劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)、子系統(tǒng)之間的交互接口以及子系統(tǒng)與系統(tǒng)外設(shè)備的交互關(guān)系。

圖7　GJB289A總線通信系統(tǒng)內(nèi)部塊圖

4結(jié)束語(yǔ)

基于模型的系統(tǒng)工程開發(fā)流程是復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)領(lǐng)域的新興理念和技術(shù),能夠有效解決傳統(tǒng)開發(fā)流程面臨的困難和問(wèn)題。本文研究了航空航天領(lǐng)域主流的MBSE方法論的基本思想和開發(fā)流程,使用Harmony開發(fā)流程,舉例分析了MBSE方法在航空電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用,詳細(xì)描述了需求模型、功能模型及架構(gòu)模型的建立和分析過(guò)程,為航電系統(tǒng)中應(yīng)用MBSE方法提供了參考方案。

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Application of MBSE in Avionics Communication Systems

XUE Wei,JIA Chaoqun,LI Wen,SHI Yan

(Room 15,Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute,AVIC,Xi’an 710065,China)

AbstractThe traditional methods based on documents are confronted with a variety of problems,such as long periods of development,difficult verification of requirement and complex procedure of alteration.To address the challenges in the development of avionics communication system,this paper proposes a model-based systems engineering (MBSE) method.Based on the dominant Harmony method in the aerospace field,the requirement model,function model and physical structure model are built respectively through the requirement analysis,function analysis and design synthesis.This method not only ensures the traceability of data,but also improves the design efficiency and reduces the design risk of the project,hence providing references for the further utilization in the avionics system.

KeywordsMBSE;avionics communication system;Harmony process

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.013

收稿日期:2015-09-22

基金項(xiàng)目:航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014ZC31002)

作者簡(jiǎn)介:薛威(1988—),男,碩士,助理工程師。研究方向:機(jī)載網(wǎng)絡(luò)等。

中圖分類號(hào)TN914;v57

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼a

文章編號(hào)1007-7820(2016)05-045-04