基于Rhapsody的功能邏輯建模在蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘 要：基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語(yǔ)言構(gòu)建產(chǎn)品的需求模型、功能模型、架構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)需求、功能到物理架構(gòu)的分解和分配，通過(guò)模型執(zhí)行實(shí)現(xiàn)對(duì)需求和邏輯的“確認(rèn)”和“驗(yàn)證”。在設(shè)計(jì)的早期階段，發(fā)現(xiàn)需求的缺失和偏差并及時(shí)修正，有效降低產(chǎn)品研制成本，縮短研制周期。本文通過(guò)實(shí)例介紹基于Rhapsody的功能邏輯建模的方法和過(guò)程，以期為相關(guān)設(shè)計(jì)人員開(kāi)展產(chǎn)品的功能邏輯分析提供參考和指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：MBSE；Rhapsody；功能邏輯模型；需求

中圖分類號(hào)：TB657 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）10-0036-04

The Application of Function-Logic Modeling Based On Rhapsody

for The Evaporation Circulating Cooling System

SUN Yubo1 WU Zemin2

（1. Naval Aviation Military Agent's Room in Luoyang District，Luoyang Henan 471000；2. Avic Xinxiang Aviation Industry （Group） Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Abstract： MBSE method builds the requirement model， functional model and architectural model of product through standard system language. Then implements the system requirements and function to the decomposition and distribution of physical architecture， and realizes the validation and verification of requirements and logic by model executing. Engineer can find the loss and deviation of requirements in the early stages of development， then correct them in time so that can effectively reduce the development costs and shorten the development cycle. This paper introduced the method and process of function-logic modeling that based on Rhapsody through practical example， hoped to provide reference and guidance for related designer when they should build the function-logic analysis of product.

Keywords： MBSE；Rhapsody；function-logical model； requirement

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）的建模過(guò)程是以需求為核心，模型為驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一種通用的圖形化建模語(yǔ)言（SysML語(yǔ)言）來(lái)描述、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證系統(tǒng)產(chǎn)品[1]。在這一過(guò)程中，每階段都可通過(guò)一個(gè)特定類型的模型來(lái)支持，如需求模型、可執(zhí)行的功能模型和架構(gòu)分析模型等。通過(guò)模型的執(zhí)行和測(cè)試，驗(yàn)證系統(tǒng)的行為，發(fā)現(xiàn)潛在的或被忽略的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)需求的迭代和驗(yàn)證。

通過(guò)建立系統(tǒng)模型幫助需求工程師分析特定層次上的需求，以便其與客戶之間的溝通交流，提高對(duì)所開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的相互理解，并通過(guò)導(dǎo)出下層需求，確定如何滿足本層的需求；使用繪畫方式，將存在于研發(fā)人員腦海中的一些思想、開(kāi)發(fā)過(guò)程中的一些方面進(jìn)行可視化、形象化表達(dá)，并提供標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)法為團(tuán)隊(duì)內(nèi)部理解系統(tǒng)提供媒介，避免產(chǎn)生歧義。模型是系統(tǒng)的一個(gè)抽象，這種抽象有意地聚焦于系統(tǒng)的某些方面而排除其他方面，避免使人分心，忽略那些雖然很重要但與該模型無(wú)關(guān)的細(xì)節(jié)，使模型能夠被用于收集、處理、組織和分析較少的相關(guān)信息，應(yīng)用各種特殊的技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究。此外，模型以電子的形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，便于溝通和信息的傳遞交流。

1 功能邏輯建模

1.1 對(duì)功能邏輯建模必要性的認(rèn)識(shí)

目前，物理建模已經(jīng)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中，通過(guò)CATIA、ANSYS等仿真工具的物理建?；顒?dòng)展現(xiàn)產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)原理和算法。但是，物理建模強(qiáng)調(diào)具體，側(cè)重對(duì)經(jīng)驗(yàn)的演繹，難以有效地將復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，當(dāng)問(wèn)題的復(fù)雜度增加時(shí)，解決方案的復(fù)雜度隨之成倍增加。而功能邏輯建模則強(qiáng)調(diào)抽象，側(cè)重歸納。在功能邏輯建?；顒?dòng)中，采用SysML語(yǔ)言將系統(tǒng)行為抽象為用例、操作、狀態(tài)等模型元素，以類/塊、狀態(tài)嵌套、活動(dòng)調(diào)用等方式表示歸納，區(qū)分特殊與一般，將復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題分層考慮，從而降低解決方案的局部復(fù)雜度。此外，功能邏輯建模過(guò)程的抽象層次更高，模型復(fù)用的范圍更廣，建模經(jīng)驗(yàn)可以在不同類別的機(jī)電類產(chǎn)品之間，乃至航電、飛控類產(chǎn)品之間復(fù)用，有利于經(jīng)驗(yàn)的積累與推廣。因此，在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中開(kāi)展功能邏輯建模活動(dòng)以應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的系統(tǒng)復(fù)雜度是極為有必要的。

1.2 基于Rhapsody的功能邏輯建模

基于Rhapsody的功能邏輯建模是借助IBM Rational Rhapsody建模軟件，采用SysML語(yǔ)言，以方框作為基本結(jié)構(gòu)元素，方框之間的溝通基于消息（服務(wù)請(qǐng)求），實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)功能和結(jié)構(gòu)的描述[2]。其關(guān)鍵目標(biāo)是要識(shí)別/導(dǎo)出所需的系統(tǒng)功能，識(shí)別出一系列相關(guān)的系統(tǒng)狀態(tài)和模式，并將系統(tǒng)功能分配到系統(tǒng)架構(gòu)，同時(shí)考慮一些非功能性需求。

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功能邏輯分析，其核心是將功能性需求轉(zhuǎn)換成一個(gè)系統(tǒng)功能的連續(xù)性操作，即通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)的功能邏輯模型和模型的執(zhí)行在產(chǎn)品研制早期對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn)，進(jìn)而不斷發(fā)現(xiàn)需求偏差與需求缺失，完善補(bǔ)充系統(tǒng)功能，確保系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)。

1.3 功能邏輯建模流程

通過(guò)功能邏輯建模對(duì)系統(tǒng)需求進(jìn)行梳理、分析和驗(yàn)證，其過(guò)程包括識(shí)別關(guān)鍵問(wèn)題、背景分析、定義狀態(tài)和模式、定義系統(tǒng)頂層功能、分解頂層功能到子功能、定義功能邏輯流程圖及進(jìn)行模型的執(zhí)行和迭代，最終得出各流程步驟的輸出模型?；赗hapsody的功能邏輯建模流程步驟如圖1所示。

2 實(shí)例應(yīng)用

該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是安裝在某型機(jī)上的，對(duì)駕駛艙和客艙進(jìn)行制冷和通風(fēng)。

2.1 識(shí)別系統(tǒng)關(guān)鍵功能

①制冷功能。根據(jù)接收到的制冷指令，對(duì)駕駛艙和客艙進(jìn)行制冷。

②通風(fēng)功能。根據(jù)接收到的通風(fēng)指令，對(duì)駕駛艙和客艙進(jìn)行通風(fēng)。

③控制功能。按照接收到的機(jī)電綜合管理系統(tǒng)的指令工作，記錄、存儲(chǔ)工作參數(shù)，判斷故障并傳輸，依據(jù)故障自動(dòng)停機(jī)等。

④保護(hù)功能。超壓保護(hù)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)各種短路、斷路和超壓故障并輸送相應(yīng)故障代碼。

2.2 背景分析

經(jīng)分析，該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)制冷、通風(fēng)、控制及自檢等功能，首先，需要上電，包括接通直流電和交流電；其次，通過(guò)接收飛行員的指令執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，并反饋系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行情況及采集的溫度信息。通過(guò)系統(tǒng)的背景分析，初步確定系統(tǒng)與外部的接口，即系統(tǒng)應(yīng)具備信息交互接口、配電接口、溫度監(jiān)測(cè)接口和空氣流通接口，另外還應(yīng)有維護(hù)接口。

2.3 定義狀態(tài)和模式

建模之初應(yīng)考慮系統(tǒng)或產(chǎn)品所處的狀態(tài)。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)或產(chǎn)品而言，狀態(tài)是系統(tǒng)固有的，同一層級(jí)的狀態(tài)之間互斥，不同層級(jí)的狀態(tài)之間可以嵌套；而模式是為保證功能的實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)出來(lái)的，主要是定義某種模式應(yīng)處于系統(tǒng)的哪種狀態(tài)下。

經(jīng)分析，該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)有關(guān)閉狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)，也會(huì)出現(xiàn)故障狀態(tài)。為實(shí)現(xiàn)對(duì)駕駛艙和客艙的制冷和通風(fēng)，定義系統(tǒng)的制冷模式（全艙制冷子模式和前艙制冷子模式）和通風(fēng)模式。

該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的狀態(tài)和模式遷移圖如圖2所示。

2.4 定義系統(tǒng)頂層功能并分解到子功能

通過(guò)關(guān)鍵功能識(shí)別，定義該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的頂層功能為制冷功能、通風(fēng)功能、控制功能和保護(hù)功能。考慮到功能的實(shí)現(xiàn)及對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)，系統(tǒng)還應(yīng)具備自檢功能等。因此，對(duì)頂層功能進(jìn)行分析與分解，分解出系統(tǒng)的底層功能，分別有初始化功能、全艙制冷功能、前艙制冷功能、通風(fēng)功能、上電自檢功能和周期巡檢功能。

2.5 底層功能邏輯分析

功能邏輯分析主要是指系統(tǒng)為完成某特定功能所要執(zhí)行的一系列活動(dòng)和操作，是對(duì)系統(tǒng)功能的描述，側(cè)重功能而非實(shí)現(xiàn)。在此，本文只針對(duì)前艙制冷功能的邏輯進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)定溫度和各采集溫度的關(guān)系，在前艙制冷功能下，可分為“制冷待機(jī)”“前艙制冷”“前艙除霜”和“制冷暫停”四種模式。

該蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)前艙制冷功能邏輯建模主活動(dòng)圖如圖3所示。

2.5.1 制冷待機(jī)。當(dāng)[T1

2.5.2 前艙制冷。當(dāng)[T1≥T0+2°C]、[T2≥1°C]時(shí)，冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)進(jìn)入前艙制冷模式，制冷電控盒應(yīng)反饋“前艙制冷”信號(hào)。如圖5所示。

2.5.3 前艙除霜。系統(tǒng)在前艙制冷模式運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)[T1≥T0+2°C]、[T2<1°C]時(shí)，進(jìn)入前艙除霜模式，此時(shí)，冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)停止運(yùn)行。制冷電控盒應(yīng)反饋“前艙除霜”信號(hào)。除霜過(guò)程中對(duì)各溫度進(jìn)行采集，當(dāng)[T1≥T0+2°C]、[T2≥3°C]時(shí)，退出前艙除霜模式，進(jìn)入前艙制冷模式。如圖6所示。

2.5.4 制冷暫停。在前艙制冷模式運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)[T1≤T0-2°C]、[T2≥1°C]時(shí)，進(jìn)入制冷暫停模式，此時(shí)，冷凝風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)停止運(yùn)行。制冷電控盒應(yīng)反饋“制冷暫停”信號(hào)。制冷過(guò)程中，對(duì)各溫度進(jìn)行采集，當(dāng)[T1≥T0+2°C]、[T2≥1°C]時(shí)，退出制冷暫停模式，進(jìn)入前艙制冷模式。如圖7所示。

2.6 模型執(zhí)行與迭代

可執(zhí)行的模型（狀態(tài)圖）以圖形化的方式直觀地展示系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，包括系統(tǒng)所處的狀態(tài)、狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換、伴隨轉(zhuǎn)換的動(dòng)作及對(duì)異常做出的響應(yīng)等。通過(guò)模型的執(zhí)行，驗(yàn)證系統(tǒng)是否符合預(yù)期構(gòu)想，進(jìn)而在產(chǎn)品研制早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)需求的偏差與缺失，完善系統(tǒng)功能。

模型的執(zhí)行可以通過(guò)模擬操縱面板進(jìn)行狀態(tài)的切換，以前艙除霜為例，模擬操縱面板如圖8所示，執(zhí)行前艙制冷如圖9所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于Rhapsody的功能邏輯建模過(guò)程，并將其應(yīng)用到某蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)中進(jìn)行需求的分析和迭代驗(yàn)證，通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵功能、定義系統(tǒng)的狀態(tài)和模式、定義頂層功能并分解到子功能、各功能的邏輯分析及模型的執(zhí)行與迭代，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)需求中存在的偏差和缺失，并及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充和修改。在早期實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)需求的驗(yàn)證與確認(rèn)，確保系統(tǒng)的成功實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)（INCOSE）.基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法論綜述[M].張新國(guó)，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.

[2]Lenny Delligatti.SysML精粹[M].侯伯薇，朱艷蘭，譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014.