基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計綜述

李浩敏 /

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 200120)

基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計綜述

李浩敏 /

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院，上海 200120)

從飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的必要性、系統(tǒng)架構(gòu)的建模和分析過程、支持架構(gòu)建模分析的MBSE方法論、架構(gòu)建模語言、架構(gòu)建模工具、面向全機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的協(xié)同設(shè)計和聯(lián)合建模仿真等角度出發(fā)，對飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計相關(guān)的基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行了全方位的綜述，并提出了初步的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思想及其落實途徑。

系統(tǒng)架構(gòu)；Modelica；架構(gòu)建模；聯(lián)合仿真

1 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的必要性

SAE ARP 4754A[1]中關(guān)于“系統(tǒng)架構(gòu)”的描述為：系統(tǒng)架構(gòu)的開發(fā)作為飛機(jī)/系統(tǒng)概念研制過程的核心工作。系統(tǒng)架構(gòu)將確立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及邊界，在該結(jié)構(gòu)及邊界內(nèi)，實施具體的項目設(shè)計以滿足已建立的需求?？梢钥紤]多個候選系統(tǒng)架構(gòu)用于實現(xiàn)設(shè)計。

進(jìn)行“基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計”的意義在于，通過建立較為真實的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)模型，可以幫助飛機(jī)設(shè)計者在設(shè)計初期對新技術(shù)的使用、全機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的綜合權(quán)衡、飛機(jī)頂層指標(biāo)的確定以及飛機(jī)級需求的確認(rèn)和初步驗證等關(guān)鍵內(nèi)容進(jìn)行評估，從而降低飛機(jī)設(shè)計的風(fēng)險，減少設(shè)計成本，縮短飛機(jī)研制流程。

2 系統(tǒng)架構(gòu)的建模[2]

2.1 功能架構(gòu)建模

功能架構(gòu)建模過程包含三個主要步驟：

1) 分析運行場景，識別系統(tǒng)頂層的“核心功能”，并形成系統(tǒng)的“功能上下文模型”；

2) 分析系統(tǒng)功能上下文模型，識別目標(biāo)系統(tǒng)的“驅(qū)動”和“反應(yīng)”，開發(fā)“系統(tǒng)線程”；

3) 將“系統(tǒng)線程”進(jìn)行有機(jī)整合，形成系統(tǒng)的“功能架構(gòu)”。

2.2 邏輯/物理架構(gòu)建模

邏輯/物理架構(gòu)，應(yīng)該由兩部分組成，一部分是邏輯/物理模塊層級圖，另一部分是物理模塊關(guān)系圖。前者重點表現(xiàn)系統(tǒng)模塊之間的層級結(jié)構(gòu)，即包含與被包含關(guān)系；后者重點表現(xiàn)各層級模塊之間的接口和運行依賴關(guān)系。

3 幾種重要的MBSE方法論及其架構(gòu)設(shè)計和分析過程[3-5]

3.1 IBM Harmony-SE

Harmony-SE的活動如圖 1所示。

Harmony-SE方法論主要包括以下三個頂層過程元素：

1) 需求分析，針對系統(tǒng)用例進(jìn)行識別和初步分析，其過程輸出包括系統(tǒng)場景和用例。

2) 系統(tǒng)功能分析，輸出用例模型和運行合約，運行合約描述系統(tǒng)與外界交互的邏輯和接口規(guī)范。通過用例一致性分析建立用例協(xié)作模型，將用例融合在一起，以形成對系統(tǒng)功能的全方位考察；

3) 架構(gòu)設(shè)計，輸出系統(tǒng)架構(gòu)模型和伴生的運行合約，包括ICD和設(shè)計規(guī)范。

3.2 INCOSE OOSEM

INCOSE的OOSEM是一種將面向?qū)ο蟮姆治黾夹g(shù)和系統(tǒng)工程理論基礎(chǔ)充分結(jié)合的自頂向下的場景驅(qū)動的MBSE方法論。OOSEM的活動如圖 2所示。

OOSEM的關(guān)鍵活動包括：

1) 分析利益相關(guān)方的要求和需要；

2) 定義系統(tǒng)需求；

3) 定義邏輯架構(gòu)；

4) 對已分配的備選架構(gòu)進(jìn)行綜合并分析，聚合(Synthesize)成物理架構(gòu)；

5) 對備選綜合架構(gòu)進(jìn)行評估和優(yōu)化；

6) 確認(rèn)和驗證系統(tǒng)設(shè)計。

4 支持架構(gòu)建模的語言和相關(guān)建模工具

4.1 Modelica和Dymola[6]

Modelica語言是一種開源的、用于構(gòu)建大型復(fù)雜和多樣化的物理系統(tǒng)模型的面向?qū)ο笳Z言。

目前Modelica語言已擁有機(jī)械、電子、電氣、液壓、熱力學(xué)、控制邏輯、電機(jī)等多個學(xué)科的標(biāo)準(zhǔn)模型庫，可以快速建立系統(tǒng)級性能分析模型。由于采用了面向?qū)ο蟮恼Z言策略，Modelica充分支持非因果建模，將理解模型和理解現(xiàn)實世界的問題充分對應(yīng)，方便針對具體問題進(jìn)行分析。

Dymola基于Modelica語言，使用一種新的基于面向?qū)ο蠛头匠痰慕７椒?，方程的自動處理替代了傳統(tǒng)意義上方程到模塊框圖的人工轉(zhuǎn)換， Dymola程序的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

4.2 Arcadia和Capella[7]

Arcadia是一個有特定工具Capella支持的MBSE方法，用于軟/硬件和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計。

基于Arcadia和Capella的系統(tǒng)設(shè)計過程如圖 4所示。

其中，OA層分析“系統(tǒng)用戶想要系統(tǒng)完成什么”，SA層分析“系統(tǒng)需要如何運作來滿足用戶的要求，即功能分析”，LA層分析“系統(tǒng)的邏輯組件需要如何協(xié)作來實現(xiàn)特定的功能，并滿足特定的限制等條件”，PA層分析“系統(tǒng)應(yīng)該如何被實現(xiàn)并構(gòu)建”。在各層級設(shè)計分析之后，可以生成EPBS(End-Product Breakdown Structure)，根據(jù)EPBS可以形成與系統(tǒng)供應(yīng)商或者下層設(shè)計人員之間的合約，定義他們的系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)容和設(shè)計規(guī)范。

需要注意的是，Arcadia和Capella由Thales公司提供，它主要是一家航電企業(yè)，他們提出的方法論和開發(fā)的建模設(shè)計工具偏重于航電系統(tǒng)設(shè)計，擅長于數(shù)據(jù)傳遞、事件觸發(fā)、并行或串行處理等狀態(tài)邏輯的設(shè)計，目前其架構(gòu)綜合設(shè)計能力并不適合控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)開發(fā)。

4.3 Matlab和Simulink

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于Matlab的框圖設(shè)計環(huán)境，是實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應(yīng)用于線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)、數(shù)字控制及數(shù)字信號處理的建模和仿真中。

5 多系統(tǒng)架構(gòu)協(xié)同設(shè)計和聯(lián)合建模仿真

5.1 多系統(tǒng)架構(gòu)協(xié)同設(shè)計

為解決整機(jī)級系統(tǒng)架構(gòu)權(quán)衡的問題，需要對多系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行協(xié)同設(shè)計?？傮w和分系統(tǒng)的架構(gòu)協(xié)同設(shè)計包括兩部分，分別是“接口設(shè)計(ICD)”和“基于架構(gòu)模型的協(xié)同設(shè)計和仿真驗證”。具體形式如圖5所示。

5.2 多學(xué)科聯(lián)合仿真方法/工具/平臺

多學(xué)科聯(lián)合仿真的方法包括但不限于：

1) 基于S-Function的聯(lián)合仿真；

2) 基于Modelica的多學(xué)科聯(lián)合仿真；

3) 基于FMI/FMU的聯(lián)合仿真；

4) 基于ModelCenter的聯(lián)合仿真；

5) 基于TISC的分布式聯(lián)合仿真。

5.2.1 基于FMI和FMU的聯(lián)合仿真

歐洲Modelica協(xié)會提出了FMI(Functional Mock-up Interface，簡稱FMI)。FMI 是開放的第三方標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，任何軟件均可以基于該協(xié)議開發(fā)接口，任何軟件均可以基于該協(xié)議開發(fā)接口，將模型封裝為FMU(Functional Mock-Up Unit，簡稱FMU)或?qū)肫渌浖傻腇MU，實現(xiàn)模型交互和聯(lián)合仿真。基于FMI/FMU 可以實現(xiàn)異構(gòu)模型聯(lián)合仿真中的數(shù)據(jù)交互。

FMU是黑盒模型，可以用于模型交互和聯(lián)合仿真，但無法獲得模型的原理等核心信息，有助于保護(hù)模型所有者的知識產(chǎn)權(quán)。

5.2.2 基于ModelCenter的聯(lián)合仿真

ModelCenter是一個圖形化的設(shè)計環(huán)境，用于設(shè)計自動化、設(shè)計集成和設(shè)計優(yōu)化，其強(qiáng)項在于軟件集成和多學(xué)科聯(lián)合優(yōu)化?；贛odelCenter模型集成和仿真的過程如圖6所示。

5.2.3 基于TISC分布式聯(lián)合仿真平臺的聯(lián)合仿真

采用第三方的分布式聯(lián)合仿真平臺是解決多學(xué)科聯(lián)合仿真的有效手段。TISC是一款分布式聯(lián)合仿真平臺，其平臺結(jié)構(gòu)如圖7所示。

TISC 是一個用于控制不同仿真應(yīng)用的聯(lián)合仿真環(huán)境，可劃分為控制層和仿真層。仿真層可以耦合不同工具，并執(zhí)行聯(lián)合仿真計算?？刂茖涌刂坡?lián)合仿真進(jìn)程，易于配置不同工具和模型進(jìn)行聯(lián)合仿真計算?；赥ISC 平臺，可以便捷地實現(xiàn)不同仿真工具間的聯(lián)合仿真，各種不同的仿真工具只需要開發(fā)與TISC 的集成接口即可，并且TISC 目前已經(jīng)支持的工具可以覆蓋絕大部分的常用仿真工具，而目前尚未支持的工具，也可通過定制化開發(fā)實現(xiàn)與TISC 的集成。

6 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計思想及其落實

6.1 飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)綜合設(shè)計思想

飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計要在全機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)和分系統(tǒng)架構(gòu)兩個層面上進(jìn)行考慮，全機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的綜合設(shè)計權(quán)衡主要考慮整機(jī)的設(shè)計目標(biāo)，主要考慮多系統(tǒng)架構(gòu)間的多角度的穩(wěn)態(tài)耦合(包括功能邏輯、功率特性的匹配、故障傳播等)和系統(tǒng)間ICD的初步定義等；而分系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計主要依據(jù)整機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)框架進(jìn)行更深層次的分析，包括系統(tǒng)架構(gòu)的功能邏輯、動態(tài)特性和更加具體的ICD定義等。

6.2 基于模型的飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)綜合設(shè)計

飛機(jī)總體、航電、機(jī)械和各種控制電子，其系統(tǒng)架構(gòu)緊密相關(guān)卻又各有側(cè)重，需要使用不同的方法進(jìn)行建模和分析，需要依據(jù)設(shè)計目的在不同層級不同顆粒度下進(jìn)行綜合建模規(guī)劃。

根據(jù)對架構(gòu)設(shè)計理論的分析，以及對架構(gòu)建模工具的綜合評估，可以初步確定飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)建模和分析的方案：航電部分使用Capella進(jìn)行邏輯密集型軟硬件的開發(fā)，機(jī)械系統(tǒng)部分使用Dymola對機(jī)電液氣等系統(tǒng)進(jìn)行被控對象的設(shè)計，控制系統(tǒng)部分使用Simulink對控制邏輯和控制算法比如飛行控制律進(jìn)行設(shè)計，總體層面使用綜合仿真平臺例如TISC進(jìn)行全機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)權(quán)衡，并最終完成飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)的綜合設(shè)計。

飛機(jī)級系統(tǒng)架構(gòu)綜合權(quán)衡設(shè)計平臺如圖8所示。

7 結(jié)論

本文首先論述了飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的必要性，然后對系統(tǒng)架構(gòu)的建模和分析過程進(jìn)行了總結(jié)。通過對MBSE方法論、架構(gòu)建模語言和架構(gòu)建模工具的分析，確定了飛機(jī)各系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計應(yīng)該采用的方法、語言和工具；通過對多系統(tǒng)架構(gòu)協(xié)同設(shè)計和聯(lián)合仿真的探討，確定了飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)綜合權(quán)衡設(shè)計應(yīng)采用的思想和實施途徑。

希望本文能夠為飛機(jī)總體層面的系統(tǒng)架構(gòu)綜合設(shè)計提供一些思路。

[1] SAE ARP 4754A. Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S].2010.

[2] Julia Murray.MBSE Media Study[C].2012.

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[4] David Long, Zane Scott.A Primer for Model-Based Systems Engineering[M]. Vitech, 2011.

[5] Lykins, Howard, etc.Adapting UML for an Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM)[C]. Proceedings of the INCOSE 2000 International Symposium, 2000.

[6] Modelica Association.Modelica—A Unified Object-Oriented Language for Physical Systems Modeling—Language Specification[S]. 2014.

[7] Jean Luc Voirin, Stephane Bonnet.A MBSE method for System, Software and Hardware Architectural Design—ARCADIA and Capella[C]. 2015.

Review on the Model-Based A/C System Architecture Design

LI Haomin

(Shanghai aircraft design and research Institute, Shanghai, 200120 China)

This paper introduces the fundamental but critical concpets of A/C system architecture design, which includes the necessity of A/C system architecture design, the modeling and analysis process, the related MBSE methodology, the architecture modeling language, the collaborative design and joint simulation. After this review, this paper also gives a initial proposal on the model-based A/C system architecture philosophy.

system architecture； modelica； architecture modeling； joint simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.003

李浩敏男，研究員。主要研究方向：系統(tǒng)工程、需求管理、MBSE、民用飛機(jī)綜合設(shè)計。TEL：021-20865665，E-mail:Lihaomin@comac.cc

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