基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)綜述

張賀　魏強(qiáng)　陳余軍　林驍雄

摘 要：本文首先論述了功能架構(gòu)的必要性，然后對(duì)功能架構(gòu)的建模和分析過(guò)程進(jìn)行了總結(jié)。通過(guò)對(duì)MBSE 方法論、功能建模語(yǔ)言和功能建模工具的分析，確定了衛(wèi)星各級(jí)系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)流程，探討了基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)實(shí)現(xiàn)途徑。

關(guān)鍵詞：功能架構(gòu) 基于模型的系統(tǒng)工程 流程設(shè)計(jì) 衛(wèi)星系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：N945 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2019）03（b）-0015-05

Abstract：In this paper， the necessity of functional architecture is discussed，and the process of modeling and analysis is summarized. After the review of the related MBSE （Model-Based Systems Engineering） methodology， the functional modeling language and tools， the functional architecture design process of satellite systems is determined， and the realization approach of model-based functional architecture of satellite systems is discussed.

Key Words： Functional architecture； MBSE； Process design； Satellite system

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering，MBSE）是適應(yīng)航天器未來(lái)研制發(fā)展的有效解決方案。MBSE是系統(tǒng)工程領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，它通過(guò)形式化的建模手段，從概念設(shè)計(jì)階段開(kāi)始就能夠支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，并持續(xù)貫穿整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程和后續(xù)的生命周期階段[1]。MBSE作為一種新的范式，NASA、美國(guó)國(guó)防部、歐空局等組織和相關(guān)承包商積極在項(xiàng)目中探索和應(yīng)用[2]，國(guó)內(nèi)MBSE的應(yīng)用也在研究和探索階段[3-4]，利用系統(tǒng)工程的思維方式，建立基于模型的系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)流程與設(shè)計(jì)方法是未來(lái)航空航天領(lǐng)域發(fā)展的重要方向。

MBSE遵循系統(tǒng)工程V模型，貫穿產(chǎn)品的全生命周期，狹義的MBSE側(cè)重于產(chǎn)品的前端系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段，分析用戶(hù)需求、分解系統(tǒng)功能、定義系統(tǒng)架構(gòu)直到實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)。在這一過(guò)程中，利用圖形化、結(jié)構(gòu)化的方式將系統(tǒng)需求、功能架構(gòu)、邏輯架構(gòu)等描述為需求模型、功能架構(gòu)模型、邏輯架構(gòu)模型等。其中，功能架構(gòu)模型是連接頂層需求、約束和后續(xù)詳細(xì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和實(shí)施的橋梁，有助于理清系統(tǒng)間的關(guān)系、完善復(fù)雜系統(tǒng)的需求，還可以通過(guò)前期功能模型的仿真，驗(yàn)證需求的滿足性和可追溯性。

功能架構(gòu)描述的是系統(tǒng)詳細(xì)的功能、接口和時(shí)序特征，覆蓋系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)和單機(jī)各層級(jí)的功能實(shí)現(xiàn)、性能分析、內(nèi)在關(guān)聯(lián)與接口分析，是完成既定任務(wù)目標(biāo)所需要的全部功能集合，對(duì)應(yīng)于系統(tǒng)級(jí)、分系統(tǒng)級(jí)、產(chǎn)品級(jí)，甚至更小單元的功能、性能和相互間的邏輯關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)的理解和交流具有重要意義，為保證功能和接口的準(zhǔn)確，功能架構(gòu)隨著系統(tǒng)需求的演進(jìn)而被進(jìn)一步定義[5]。

1 主流的MBSE方法論及其功能架構(gòu)建模過(guò)程

1.1 OOSEM

面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法（Object-Oriented Systems Engineering Method，OOSEM）是一種自頂向下、場(chǎng)景驅(qū)動(dòng)建模過(guò)程的方法，并通過(guò)一系列的視圖來(lái)保證系統(tǒng)描述的一致性，用于支撐系統(tǒng)的分析、定義、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證[6]。OOSEM功能架構(gòu)通過(guò)分析系統(tǒng)的用例、確定系統(tǒng)的任務(wù)目標(biāo)、詳細(xì)系統(tǒng)的任務(wù)場(chǎng)景、確定系統(tǒng)內(nèi)部功能活動(dòng)之間的關(guān)系、分析系統(tǒng)內(nèi)部功能活動(dòng)之間的時(shí)序關(guān)系以及系統(tǒng)狀態(tài)切換等一系列活動(dòng)確定。

國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（International Council on Systems Engineering，INCOSE）在2011年開(kāi)始的CubeSat項(xiàng)目中利用OOSEM方法論開(kāi)發(fā)了一般CubeSat的功能架構(gòu)模型，并建造了一個(gè)集建模工具、分析/仿真工具以及模型庫(kù)一體的模型環(huán)境，使得功能架構(gòu)模型可執(zhí)行，以達(dá)到描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為、分析和優(yōu)化系統(tǒng)性能的目的[7-9]。

1.2 Harmony-SE

Harmony-SE是IBM公司一種大型的集成系統(tǒng)和軟件開(kāi)發(fā)流程Harmony的一個(gè)子集，在MBSE的需求分析、系統(tǒng)功能分析以及設(shè)計(jì)綜合三個(gè)階段迭代循環(huán)。Harmony-SE功能分析通過(guò)功能分解輸出用例模型、系統(tǒng)與外界交互的邏輯和接口規(guī)范，同時(shí)將分析得到的功能與需求進(jìn)行匹配，確保每一項(xiàng)需求都有功能與之對(duì)應(yīng)追溯，并對(duì)需求進(jìn)行更新和補(bǔ)充。

Harmony-SE方法論結(jié)合IBM Rhapsody工具在系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及嵌入式開(kāi)發(fā)上有很大優(yōu)勢(shì)，因此我國(guó)航空航天展開(kāi)其對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)踐和應(yīng)用，如在飛控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過(guò)方法論設(shè)計(jì)驗(yàn)證控制邏輯，最后通過(guò)Rhapsody實(shí)現(xiàn)軟件代碼自動(dòng)生成，提高軟件系統(tǒng)的可靠性，并提升了開(kāi)發(fā)效率。

1.3 SYSMOD

SYSMOD（Systems Modeling Process）是構(gòu)建需求、功能和物理架構(gòu)很實(shí)用的方法，包括描述項(xiàng)目環(huán)境、總結(jié)需求、系統(tǒng)環(huán)境建模、系統(tǒng)用例及過(guò)程建模、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及狀態(tài)建模和總結(jié)領(lǐng)域知識(shí)等。SYSMOD方法從產(chǎn)品、方法和角色三個(gè)特征展開(kāi)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中方法包括分析流程和架構(gòu)流程[10]。

SYSMOD的功能分析活動(dòng)是基于FAS（Functional Architecture for Systems）方法來(lái)進(jìn)行。FAS從用例入手，通過(guò)使用啟發(fā)式方法對(duì)功能分組，生成功能架構(gòu)，但FAS的局限在于它更適用在較高的系統(tǒng)層級(jí)上，在低層級(jí)系統(tǒng)中，系統(tǒng)功能可能有復(fù)雜的交互，系統(tǒng)行為難以把握。

1.4 MagicGrid

MagicGrid方法源于No Magic公司在軟件工程和系統(tǒng)工程領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)踐，基于矩陣式的結(jié)構(gòu)流程，將功能架構(gòu)建模過(guò)程從行為和參數(shù)兩個(gè)角度分為問(wèn)題域和解決域兩個(gè)層次進(jìn)行，其中問(wèn)題域功能架構(gòu)模型在需求模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)功能分解得到；解決域功能架構(gòu)模型則是在邏輯架構(gòu)模型基礎(chǔ)上，通過(guò)系統(tǒng)功能分配得到。

2 支持功能架構(gòu)建模的語(yǔ)言及相關(guān)建模工具

2.1 FFBDs

功能流圖（Functional Flow Block Diagrams，F(xiàn)FBDs）提供了一種直觀的圖形方法來(lái)表示復(fù)雜層次系統(tǒng)的行為，F(xiàn)FBD由標(biāo)記的功能塊組成，如圖1所示，功能塊由定義功能執(zhí)行順序的單向箭頭連接，F(xiàn)FBDs本質(zhì)上是一個(gè)表示控制流的功能架構(gòu)，描述了功能、功能的執(zhí)行順序以及可選的執(zhí)行路徑。支持FFBDs工具有RDD-100和CORE等[11]。FFBDs可以在圖的層次結(jié)構(gòu)中分層，沿著層次結(jié)構(gòu)向下時(shí)，這些圖提供了對(duì)單個(gè)系統(tǒng)行為更詳細(xì)的描述，使系統(tǒng)和每個(gè)功能更容易理解。但FFBDs不能捕獲系統(tǒng)功能之間的數(shù)據(jù)流，而系統(tǒng)功能的完整描述應(yīng)同時(shí)需要數(shù)據(jù)流和控制流的信息，因此一些系統(tǒng)工程師在FFBDs基礎(chǔ)上直接用箭頭和注釋來(lái)表示數(shù)據(jù)流，進(jìn)而逐漸演化為EFFBDs（Enhanced FFBDs）[12]。

FFBDs是功能建模的一種傳統(tǒng)手段，在航天領(lǐng)域很流行，如在NASA J-2X液體推力器上的應(yīng)用[13]。J-2X計(jì)劃使用新的材料和制造技術(shù)將阿波羅時(shí)代的J-2發(fā)動(dòng)機(jī)升級(jí)到更高的功率級(jí)別，工程師們對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了功能分析，建立了功能架構(gòu)，定義了一個(gè)與系統(tǒng)模型逼真度一致的功能引擎示意圖，最后得到J-2X分解到組件并映射到所有功能需求的FFBDs。

2.2 SysML

SysML是INCOSE和OMG（Object Management Group，對(duì)象管理組織）為支持MBSE方法而推出的一種標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)建模語(yǔ)言[14]，如圖2所示。SysML是一種圖形化的語(yǔ)言，通過(guò)維護(hù)九種視圖的一致性實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜系統(tǒng)的詳細(xì)說(shuō)明、分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)。

SysML建立的功能架構(gòu)模型可分為結(jié)構(gòu)模型、需求模型、行為模型和參數(shù)模型，如圖3所示，其中結(jié)構(gòu)模型通過(guò)包圖（package diagram，pkg）、模塊定義圖（block definition diagram，bdd）和內(nèi)部模塊圖（internal block diagram，ibd）反映系統(tǒng)功能的層級(jí)關(guān)系；需求模型通過(guò)需求圖（requirement diagram，req）描述功能與需求的追溯關(guān)系；行為模型通過(guò)活動(dòng)圖（activity diagram，act）、序列圖（sequence diagram，sd）、狀態(tài)機(jī)圖（state machine diagram，stm）和用例圖（use case diagram，uc）突出功能之間的數(shù)據(jù)流和控制流信息以及功能接口；參數(shù)模型通過(guò)參數(shù)圖（parametric diagram，par）體現(xiàn)功能參數(shù)及其約束關(guān)系。

基于SysML開(kāi)發(fā)了多種支持MBSE方法的軟件，如EA、Rhapsody、CSM等，都支持建模、仿真、文檔生成、程序開(kāi)發(fā)、測(cè)試和管理，就目前在航空航天應(yīng)用而言，Rhapsody多用在航空領(lǐng)域[15]，CSM多用于航天領(lǐng)域。

2.3 OPM

復(fù)雜系統(tǒng)功能架構(gòu)的描述包含著巨量的信息，其信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了人的理解能力。目前主要有兩種辦法展示這些信息：一種是維護(hù)一個(gè)集成的模型，并根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行投射；另一種是在模型中維護(hù)多個(gè)視圖。前者如對(duì)象過(guò)程方法（Object Process Methodology，OPM），采用集成模型把形式、功能、實(shí)體和關(guān)系有關(guān)的信息全都融入同一個(gè)模型中，通過(guò)實(shí)體的不斷分解來(lái)建立復(fù)雜系統(tǒng)的層次模型并管理系統(tǒng)復(fù)雜性；后者即如SysML語(yǔ)言，采用不同的視圖描述系統(tǒng)的不同視角，建立復(fù)雜系統(tǒng)在各個(gè)視圖的模型，并保證這些信息的一致，綜合涌現(xiàn)描述[16]。

OPM主要的建模元素是實(shí)體和連接關(guān)系，實(shí)體包括狀態(tài)、對(duì)象和過(guò)程的總稱(chēng)，如圖4所示，其中對(duì)象描述系統(tǒng)中以物理或信息形式存在的事物，并具有過(guò)程可改變的狀態(tài)；過(guò)程描述系統(tǒng)動(dòng)態(tài)層面，能夠產(chǎn)生、消耗對(duì)象并通過(guò)改變狀態(tài)影響對(duì)象；狀態(tài)描述系統(tǒng)靜態(tài)層面，是對(duì)象在特定時(shí)間點(diǎn)可能處于的情形，是隸屬于對(duì)象的實(shí)體。連接包含結(jié)構(gòu)性連接和過(guò)程性連接：結(jié)構(gòu)性連接表示對(duì)象之間或過(guò)程之間靜態(tài)的持續(xù)關(guān)系；過(guò)程性連接表示對(duì)象和過(guò)程之間的關(guān)系，描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。對(duì)象過(guò)程實(shí)例工具（OPCAT）[17]是支持使用OPM進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的軟件環(huán)境。

3 衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)涉及任務(wù)軌道設(shè)計(jì)、工作模式與飛行程序設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及姿軌控、供配電、推進(jìn)等分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)要素不僅涉及多專(zhuān)業(yè)、多領(lǐng)域，又相互耦合關(guān)聯(lián)。因此，需要根據(jù)項(xiàng)目需求在不同的設(shè)計(jì)階段使用不同的方法、語(yǔ)言、工具進(jìn)行建模和分析，對(duì)不同系統(tǒng)的功能架構(gòu)模型進(jìn)行綜合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速方案驗(yàn)證。

3.1 衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)流程

衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)分解與綜合的迭代過(guò)程，以任務(wù)目標(biāo)為輸入，對(duì)整個(gè)任務(wù)過(guò)程的飛行事件進(jìn)行梳理，將任務(wù)需求轉(zhuǎn)化為功能活動(dòng)，進(jìn)行任務(wù)級(jí)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而識(shí)別出衛(wèi)星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和性能指標(biāo)，具體設(shè)計(jì)流程如圖5所示。低層級(jí)系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)是高層級(jí)系統(tǒng)功能架構(gòu)的詳細(xì)化過(guò)程，通過(guò)架構(gòu)綜合和功能仿真，驗(yàn)證高層級(jí)系統(tǒng)功能架構(gòu)的接口、功能關(guān)系、性能指標(biāo)，確保其功能性能滿足需求。

3.2 基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)流程，以及根據(jù)對(duì)功能架構(gòu)建模方法、語(yǔ)言、工具的分析，探索了基于模型的衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)方案（如圖6所示）。設(shè)計(jì)方案以SysML視圖建立的功能架構(gòu)為主體，融合各分系統(tǒng)的FFBDs模型、OPM模型以及仿真模型，通過(guò)SysML模型維護(hù)數(shù)據(jù)的一致性，實(shí)現(xiàn)功能到需求的閉環(huán)驗(yàn)證，最終形成分析報(bào)告，明確可實(shí)現(xiàn)性和基本的實(shí)現(xiàn)途徑，形成覆蓋所有層級(jí)和場(chǎng)景的功能體系結(jié)構(gòu)。

4 啟示與建議

基于模型的衛(wèi)星設(shè)計(jì)模式是未來(lái)航天器研制模型轉(zhuǎn)型的必然趨勢(shì)，需要借助研制需求來(lái)牽引MBSE在衛(wèi)星研制中應(yīng)用實(shí)施發(fā)展。未來(lái)航天器產(chǎn)品將面臨市場(chǎng)需求越來(lái)越旺盛、功能越來(lái)越復(fù)雜、性能要求越來(lái)越高等挑戰(zhàn)，需要采取基于模型的正向設(shè)計(jì)手段，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期階段，通過(guò)模型的建立能夠清晰明確地表達(dá)系統(tǒng)的功能，理清系統(tǒng)間的關(guān)系，完善復(fù)雜系統(tǒng)的需求，并通過(guò)系統(tǒng)層級(jí)的遞進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)?，F(xiàn)階段的衛(wèi)星研制過(guò)程對(duì)功能架構(gòu)重視程度不高、需求追溯性不完善，建議加強(qiáng)對(duì)功能架構(gòu)的研究。研究方向可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展：

（1）原有基于文檔的接口傳遞方式已經(jīng)不能滿足信息量增長(zhǎng)等要求，亟需完善MBSE在衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的方法論，并確定功能架構(gòu)建模的一系列工具。為了避免異構(gòu)模型集成中出現(xiàn)的種種問(wèn)題，最好選用一種兼容XML數(shù)據(jù)交換（XMI）規(guī)范的建模工具。

（2）充分利用新型航天器研制契機(jī)，完善衛(wèi)星系統(tǒng)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)流程。首先基于保真度較低的模型驗(yàn)證功能架構(gòu)或者系統(tǒng)架構(gòu)各模塊的輸入輸出、需求的可追溯性；隨著設(shè)計(jì)的深入迭代，這些低保真度的模型可以被更加詳細(xì)的模型替代，而無(wú)需更改已驗(yàn)證過(guò)的功能架構(gòu)以及追溯關(guān)系。同時(shí)建立各層級(jí)系統(tǒng)的功能模型庫(kù)，提高模型的重用性，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速方案設(shè)計(jì)。

（3）針對(duì)全新的衛(wèi)星產(chǎn)品設(shè)計(jì)，有必要將功能架構(gòu)和設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)矩陣（Design Structure Metrics，DSM）結(jié)合，明確約束目標(biāo)，對(duì)系統(tǒng)功能架構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)

[1] 韓鳳宇，林益明，范海濤.基于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實(shí)踐[J].航天器工程，2014，23（3）：119-125.

[2] 王崑聲，袁建華，陳紅濤，等.國(guó)外基于模型的系統(tǒng)工程方法研究與實(shí)踐[J].中國(guó)航天，2012（11）：52-57.

[3] 賈晨曦，王林峰.國(guó)內(nèi)基于模型的系統(tǒng)工程面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展建議[J].系統(tǒng)科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，24（4）：100-104.

[4] 張有山，楊雷，王平，等.基于模型的系統(tǒng)工程方法在載人航天任務(wù)中的應(yīng)用探討[J].航天器工程，2014，23（5）：121-128.

[5] Lamm， J. G. and Weilkiens， T.， Funktionale Architekturen in SysML. In M. Maurer and S.-O. Schulze （eds.）， Tagdes Systems Engineering 2010， pp. 109–118. Carl Hanser Verlag， München， Germany， November 2010. English translation by J. Lamm.

[6] Friedenthal S， Moore A， Steiner R. A Practical Guide to SysML： The Systems Modeling Language[M]. Morgan Kaufmann， 2015.

[7] Spangelo S C， Kaslow D， Delp C， et al. Applying Model Based Systems Engineering （MBSE） to a standard CubeSat[C]// Aerospace Conference. IEEE， 2012：1-20.

[8] Spangelo S C， Cutler J， Anderson L， et al. Model based systems engineering （MBSE） applied to Radio Aurora Explorer （RAX） CubeSat mission operational scenarios[C]// Aerospace Conference. IEEE， 2013：1-18.

[9] Kaslow D， Anderson L， Asundi S， et al. Developing a CubeSat Model-Based System Engineering （MBSE） Reference Model - interim status[C]// Aerospace Conference. IEEE， 2015：1-16.

[10]Tim Weilkiens. SYSMOD - The Systems Modeling Toolbox - Pragmatic MBSE with SysML[M]. MBSE4U， 2016.

[11]Seidner C ， Roux O H. Formal Methods for Systems Engineering Behavior Models[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics， 2008，4（4）：280-291.

[12]Mcinnes A I ， Eames B K ， Grover R . Formalizing Functional Flow Block Diagrams Using Process Algebra and Metamodels[J]. IEEE Transactions on Systems， Man and Cybernetics， Part A （Systems and Humans）， 2011， 41（1）：34-49.

[13]White， Thomas， Stoller， et al. Development of the Functional Flow Block Diagram for the J-2X Rocket Engine System[R]. NASA，2007.

[14]Delligatti L. SysML Distilled： A Brief Guide to the Systems Modeling Language[M]. 2013.

[15]遲玥，單棟，閻振鑫，等.基于模型的仿真設(shè)計(jì)在某飛控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2017，29（10）：2556-2566.

[16]Crawley E， Cameron B， Selva D. System Architecture： Strategy and Product Development for Complex Systems[M]. Prentice Hall Press， 2015.

[17]Dori D， Reinhartz-Berger I， Sturm A. Developing Complex Systems with Object-Process Methodology Using OPCAT[J]. Lecture Notes in Computer Science，2003（2813）：570-572.