MBSE在機(jī)載顯示器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

賀堃

摘要：在機(jī)載系統(tǒng)及設(shè)備的研發(fā)過程中，傳統(tǒng)的基于文檔的開發(fā)方式存在開發(fā)周期長(zhǎng)、需求驗(yàn)證困難以及更改流程復(fù)雜等問題。本文介紹了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法，并在機(jī)載顯示器的設(shè)計(jì)中使用航空領(lǐng)域中應(yīng)用較廣的Harmony-SE方法進(jìn)行了需求分析、功能分析和設(shè)計(jì)綜合，對(duì)MBSE在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索。

關(guān)鍵詞：MBSE;機(jī)載顯示器設(shè)計(jì);應(yīng)用

隨著機(jī)載設(shè)備性能需求的日趨增加，機(jī)載顯示器的功能需求也越來越復(fù)雜，從原來簡(jiǎn)單的數(shù)字顯示功能逐步發(fā)展到具有圖形顯示，圖形生成，信號(hào)處理，邏輯控制等復(fù)雜功能。在某些機(jī)型的設(shè)計(jì)中，機(jī)載顯示器還兼具了部分綜合處理機(jī)的功能。機(jī)載顯示器作為人機(jī)交互設(shè)備，其性能優(yōu)劣直接決定著空勤人員對(duì)飛機(jī)相關(guān)系統(tǒng)的操作感受，由此可見機(jī)載顯示器作為航電系統(tǒng)的組成部分，其作用已越發(fā)重要。

基于模型的系統(tǒng)工程（Model-Based Systems Enginerring，MBSE）是一種夸領(lǐng)域、跨學(xué)科的系統(tǒng)化思維方法，MBSE將基于模型的理念貫穿產(chǎn)品全生命周期，通過圖形化、結(jié)構(gòu)化和模型化的方法，使整個(gè)產(chǎn)品變得清晰、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題。MBSE近些年來已在機(jī)載系統(tǒng)和設(shè)備的研制過程中得到了初步的應(yīng)用。

一、基于模型的系統(tǒng)工程體系結(jié)構(gòu)

基于模型的系統(tǒng)工程的基礎(chǔ)是系統(tǒng)工程，其思想是自頂向下的分解和自底向上的綜合，系統(tǒng)工程師完成系統(tǒng)的分解和系統(tǒng)集成，通過用戶需求分析、系統(tǒng)功能分析、設(shè)計(jì)方案權(quán)衡和仿真驗(yàn)證，形成系統(tǒng)初步方案。同時(shí)將系統(tǒng)分解為子系統(tǒng)或部件，形成部件級(jí)或子系統(tǒng)級(jí)需求[1]。

MBSE根據(jù)系統(tǒng)工程從需求到系統(tǒng)、組件以及實(shí)現(xiàn)之間的分解關(guān)系，通過定義產(chǎn)品研制各個(gè)階段（如用戶需求、產(chǎn)品要求和結(jié)構(gòu)、組件設(shè)計(jì)、組件制造等）的模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研制過程和信息基于模型的管理，并再次基礎(chǔ)上建立了基于模型的系統(tǒng)工程機(jī)制。

目前世界不同組織及行業(yè)針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品形成了多種MBSE方法論，其中IBM TELELOGIC的Harmony-SE在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛。Harmony-SE是大型綜合系統(tǒng)和軟件開發(fā)流程的子集。Harmony-SE的開發(fā)源于I-Logix公司，其前身是嵌入式市場(chǎng)中建模工具的主要提供者，所以更適合機(jī)載電子系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)，而基于IBM Harmony系統(tǒng)工程開發(fā)流程的Rhapsody工具，是目前業(yè)界應(yīng)用較廣的MBSE平臺(tái)。其用戶包括波音、空客、洛克希德馬丁，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)和主機(jī)廠所等[2]。

二、實(shí)現(xiàn)與實(shí)例

基于模型的系統(tǒng)工程需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)方法已在機(jī)載電子系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的得到了應(yīng)用和推廣，在具體產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用還較少，現(xiàn)以某型多功能顯示器為例，描述MBSE方法的應(yīng)用場(chǎng)景。該多功能顯示器用于接收并顯示來自任務(wù)處理計(jì)算機(jī)的視頻信息，在備份模式下自主生成圖形。當(dāng)任務(wù)處理計(jì)算機(jī)或視頻接口故障時(shí)，顯示器可以做為備份飛行電子指示器，顯示基本飛行參數(shù)，確保飛機(jī)安全返航和著陸。本實(shí)例重點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品及架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行描述。

（一）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)。

（二）功能分析

功能分析階段的目的是分析系統(tǒng)與外部信息的交互模式和系統(tǒng)自身的運(yùn)行狀態(tài)，無需關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。形成能描述系統(tǒng)功能及其相互之間關(guān)系的一系列模型元素，主要包括活動(dòng)圖、順序圖和狀態(tài)機(jī)，功能分析針對(duì)每個(gè)用例展開?；顒?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。

（三）設(shè)計(jì)綜合

設(shè)計(jì)綜合主要是依據(jù)產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行分析，并將功能分解，定義并分配到相關(guān)的組件，在此過程中還需完成產(chǎn)品功能向組件功能的分配，完成產(chǎn)品性能指標(biāo)向組件的分配[3]。

由于該多功能顯示器主要涉及硬件及軟件，所以主要有軟、硬件功能模塊的劃分。按照產(chǎn)品的功能可劃分為畫面生成、畫面顯示、視頻處理、數(shù)據(jù)通訊、電源轉(zhuǎn)換5個(gè)主要模塊，這些模塊，這些模塊將以類塊的形式存在于模型工程中，并可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行軟、硬件的設(shè)計(jì)、更新和維護(hù)。

三、問題研究

基于模型的系統(tǒng)工程在需求分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)階段主要關(guān)注系統(tǒng)的邏輯行為，其工作主要是利用系統(tǒng)建模工具進(jìn)行設(shè)計(jì)綜合和需求分解，并對(duì)系統(tǒng)功能需求進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，但作為具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，不同專業(yè)都有其專業(yè)工具，例如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具CATIA，硬件設(shè)計(jì)工具Altium Designer等，如何將結(jié)構(gòu)仿真、硬件仿真和系統(tǒng)架構(gòu)仿真結(jié)合在一起將是產(chǎn)品承制單位今后開展MBSE工作的重點(diǎn)。

現(xiàn)階段，MBSE系統(tǒng)建模工具由支持UML建模工具擴(kuò)展而來，幾乎所有圖形（用例圖、順序圖、活動(dòng)圖、狀態(tài)圖）均由人工完成，無法自動(dòng)生成。事實(shí)上，需求模型、結(jié)構(gòu)模型、行為模型可重用元素較多。因此如何通過重用已有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型來提高系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)效率將是模型驅(qū)動(dòng)復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)建模與設(shè)計(jì)下一步值得研究與探索的重要問題[4]。

四、結(jié)束語

基于模型的系統(tǒng)工程是復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)的重要?jiǎng)?chuàng)新，對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的全生命周期有著至關(guān)重要的作用。近年來隨著MBSE在航空航天等復(fù)雜系統(tǒng)的研制中得到廣泛應(yīng)用，如何把該方法有效的實(shí)踐到型號(hào)產(chǎn)品的研制中就成為了眾多研究人員的課題。

本文從MBSE的概念、結(jié)構(gòu)進(jìn)入，基于某型多功能顯示器使用Harmony-SE流程舉例分析MBSE在當(dāng)前機(jī)載顯示器研制過程中的應(yīng)用，為今后類似產(chǎn)品的設(shè)計(jì)做了初步的探索。

參考文獻(xiàn)：

[1]白潔、呂偉、張磊、鄧廣宗.基于模型的系統(tǒng)工程在機(jī)載電子系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用. 航空制造技術(shù). 2015.4：96-99.

[2]韓風(fēng)宇.基于模型的系統(tǒng)工程在航天器研制中的研究與實(shí)踐. 航天器工程. 2014.23（3）：119-125.

[3]王黎明.控制系統(tǒng)基于模型的系統(tǒng)工程開發(fā)方法研究[D]. 西安：西安電子科技大學(xué).2013.

[4]劉玉生、蔣玉芹、高曙明.模型驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模綜述. 中國(guó)機(jī)械工程.2012.26（6）：741-749.