艦船綜合消防系統(tǒng)基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)*

劉征宇 鄒富墩

（1.海軍裝備部駐上海地區(qū)第七軍代表室 上海 201108）（2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二六研究所 上海 201108）

1 引言

目前，我國(guó)艦船綜合消防系統(tǒng)采用集成優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，也即將火災(zāi)探測(cè)、報(bào)警控制、聯(lián)動(dòng)滅火三個(gè)要素相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行集成，再通過(guò)功能調(diào)試、環(huán)境應(yīng)力篩選實(shí)驗(yàn)、電磁兼容試驗(yàn)等試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化，最后通過(guò)陸上聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)過(guò)程。這種設(shè)計(jì)方法，在消防安全能力建設(shè)的初期，具有相當(dāng)大的積極作用，在較短的時(shí)間里實(shí)現(xiàn)了消防安全系統(tǒng)從無(wú)到有的突破，并在一定程度上切實(shí)提高了火災(zāi)安全性。但隨著對(duì)艦船綜合消防系統(tǒng)安全保障要求的提高，逐漸暴露了目前消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力上的不足。

首先，核心部件國(guó)產(chǎn)化程度低，對(duì)綜合消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及性能升級(jí)產(chǎn)生了較大的制約。我國(guó)消防安全系統(tǒng)的滅火報(bào)警控制系統(tǒng)，基本上是圍繞國(guó)外的主流消防控制器，對(duì)信息采集存儲(chǔ)、報(bào)警提示、滅火操作提示、控制輸出、設(shè)備通訊的功能進(jìn)行了增加和擴(kuò)展。而對(duì)消防安全系統(tǒng)的核心火災(zāi)報(bào)警控制器、智能探測(cè)器和智能監(jiān)視模塊等還無(wú)法國(guó)產(chǎn)化，這導(dǎo)致目前消防系統(tǒng)裝備的研制生產(chǎn)嚴(yán)重依賴(lài)于國(guó)外技術(shù)。在裝備的研發(fā)交付、維護(hù)和升級(jí)等方面，都有著很大的限制。

其次，系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)能力比較落后，系統(tǒng)耦合性高、復(fù)用性低、研發(fā)周期長(zhǎng)?，F(xiàn)有系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用集成優(yōu)化的方法，往往會(huì)采取設(shè)計(jì)驗(yàn)證測(cè)試后再返回修改設(shè)計(jì)如此多次往復(fù)的修正過(guò)程，效率低成本高，如圖1所示。

圖1 集成測(cè)試開(kāi)發(fā)方法示意圖

在這種集成優(yōu)化的研發(fā)過(guò)程中，由于階段之間的工作的相互制約性較大，后一階段的開(kāi)展需要前一階段的輸出作為輸入才能進(jìn)行，是一個(gè)較為嚴(yán)格的串行流程，如圖2所示。需求分析設(shè)計(jì)和組件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段缺乏早期驗(yàn)證和仿真，導(dǎo)致后期的測(cè)試階段出現(xiàn)的問(wèn)題需要回歸到需求分析階段和設(shè)計(jì)階段進(jìn)行重新的設(shè)計(jì)工作，這樣會(huì)導(dǎo)致研制周期大大的延長(zhǎng)和工作產(chǎn)品質(zhì)量的不足。并且，這種集成優(yōu)化的方式，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的組件和模塊擴(kuò)展性較差，導(dǎo)致在新型號(hào)任務(wù)研制中，無(wú)法實(shí)現(xiàn)重用復(fù)用，需要重新研制，這大大地增加了成本和降低了效率。

集成優(yōu)化的研發(fā)流程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息交互能力薄弱，協(xié)同開(kāi)發(fā)困難大，可追溯性差，開(kāi)發(fā)質(zhì)量難以控制。這種信息單向流動(dòng)開(kāi)發(fā)過(guò)程，往往會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)活動(dòng)之間交互受阻，使得協(xié)同開(kāi)發(fā)難度較大，會(huì)形成嚴(yán)重的信息孤島現(xiàn)象。

圖2 “瀑布式”開(kāi)發(fā)過(guò)程

可見(jiàn)，目前消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的問(wèn)題，客觀地存在于整個(gè)研發(fā)過(guò)程中，并且突出的表現(xiàn)在諸多層面。解決這些問(wèn)題，對(duì)于提高整個(gè)系統(tǒng)安全性能和生命力，有著至關(guān)重要的意義。從更高的整體性層次，從系統(tǒng)性思維的角度，采用系統(tǒng)工程、基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)解決問(wèn)題，往往會(huì)獲得比較明顯的效果。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法概述

綜合消防系統(tǒng)基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)，是針對(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在的不足而提出的一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體解決方案。由于消防安全系統(tǒng)是一種涉及電子、軟件、機(jī)械、流體、化學(xué)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的安全性關(guān)鍵（Safety-Critical）的復(fù)雜系統(tǒng)。因此，可以說(shuō)，綜合消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程也是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要以系統(tǒng)工程方法為指導(dǎo)，并結(jié)合現(xiàn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用目前國(guó)際上先進(jìn)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)技術(shù)，并規(guī)劃和設(shè)計(jì)有效的過(guò)程支持和流程控制方法，來(lái)解決現(xiàn)有綜合消防系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的不足[1～2]。主要的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法如下。

1）采用系統(tǒng)工程（Systems Engineering，SE）設(shè)計(jì)思路為指導(dǎo)，從總體上提高面向系統(tǒng)全生命周期性能需要的研發(fā)能力；SE可以綜合多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)，通過(guò)不斷的分析和設(shè)計(jì)迭代，開(kāi)發(fā)出一個(gè)滿(mǎn)足在全生命周期下，在目標(biāo)應(yīng)用環(huán)境中，能夠滿(mǎn)足各種系統(tǒng)應(yīng)用要求的、總體優(yōu)化的系統(tǒng)，并保證整個(gè)系統(tǒng)在研發(fā)、使用、維護(hù)、直到報(bào)廢的整個(gè)生命周期中具有良好的時(shí)間效率和成本效率[3]；

2）采用及基于模型的設(shè)計(jì)（Model Based Design，MBD）技術(shù)作為架構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)[4～6]，提升設(shè)計(jì)復(fù)用性，提高開(kāi)發(fā)質(zhì)量，并為進(jìn)一步開(kāi)展安全性關(guān)鍵系統(tǒng)能力的拓展提供技術(shù)支撐；

3）采用協(xié)同仿真（Cosimulation）技術(shù)，協(xié)同仿真技術(shù)涉及到常規(guī)模型仿真和協(xié)同仿真模型的并行仿真，在相同輸入的情況下比較兩者的輸出，相互驗(yàn)證模型和算法設(shè)計(jì)的正確性以及算法設(shè)計(jì)在硬件上執(zhí)行的正確性，以及算法實(shí)際執(zhí)行時(shí)間的測(cè)試手段；

4）采用硬件在環(huán)（Hard-In-Loop，HiL）仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的仿真測(cè)試，能大大地降低成本，縮短開(kāi)發(fā)周期，可以滿(mǎn)足不同的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試要求，可重用復(fù)用，安全可靠，能有效地解決傳統(tǒng)控制器開(kāi)發(fā)所面臨的試驗(yàn)復(fù)雜度以及高昂的試驗(yàn)成本、不斷延長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)和測(cè)試周期以及本身具有高風(fēng)險(xiǎn)的試驗(yàn)以及可能由于算法設(shè)計(jì)錯(cuò)誤造成的高風(fēng)險(xiǎn)等一些列難題[11]。

3 艦船綜合消防系統(tǒng)MBD技術(shù)研究方案

3.1 采用系統(tǒng)工程作為設(shè)計(jì)框架

系統(tǒng)工程（SE）是一種面向系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程的科學(xué)組織和管理方法。國(guó)內(nèi)外大量研究結(jié)果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，系統(tǒng)工程在工程領(lǐng)域的應(yīng)用，可以有效地降低系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本和開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)[3]。美國(guó)航空航天局（NASA）通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間跨度的內(nèi)部數(shù)據(jù)研究表明，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本超支與系統(tǒng)工程投入呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即在增加系統(tǒng)工程的投入，會(huì)顯著提高項(xiàng)目的效率、同時(shí)減少項(xiàng)目的成本超支。

系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)過(guò)程，在宏觀上體現(xiàn)為以層次抵進(jìn)和逐級(jí)集成的思想為基礎(chǔ)的方法論，通常用V模型（V-Model）來(lái)說(shuō)明，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)V模型

一方面，如圖3中左側(cè)的向下箭頭所示，它采用自頂向下的層次化漸進(jìn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)細(xì)化為各個(gè)組成部分的技術(shù)要求和具體工作組件從上到下逐步進(jìn)行，并通過(guò)與之匹配的分析和仿真方法進(jìn)行迭代優(yōu)化[3]；另一方面，如圖3中右側(cè)的向上箭頭所示，系統(tǒng)采用自下而上的層次集成測(cè)試，并通過(guò)必要的測(cè)試手段進(jìn)行校正和性能確認(rèn)，最終得到整體性能優(yōu)化的系統(tǒng)產(chǎn)品[3]。

系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)過(guò)程，在比較微觀的層次，即在各個(gè)層級(jí)的具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，又體現(xiàn)為以反復(fù)迭代和漸進(jìn)優(yōu)化的方法論，一般以“需求－設(shè)計(jì)”雙迭代的形式來(lái)表現(xiàn)出來(lái)，如圖4所示。在每個(gè)階段設(shè)計(jì)活動(dòng)的開(kāi)始，來(lái)自上一層次（應(yīng)用級(jí)層次的輸入為用戶(hù)需求等）的設(shè)計(jì)輸入被導(dǎo)入到本層次設(shè)計(jì)中，來(lái)進(jìn)行更具體的需求分析，進(jìn)而進(jìn)行各需求所對(duì)應(yīng)的能力分析，并進(jìn)行接口需求分析以及接口設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行需求跟蹤，檢驗(yàn)所產(chǎn)生的工作產(chǎn)品是否是滿(mǎn)足需求，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)與需求不一致、能力不一致、或者需求分析有偏差等設(shè)計(jì)問(wèn)題，將根據(jù)具體的情況進(jìn)入“需求－設(shè)計(jì)”雙迭代的過(guò)程，逐步調(diào)整并使得本層次的設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)化，最后將該階段的工作產(chǎn)品輸出到下一階段。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)維護(hù)了良好的雙向回溯性，如果下一層次設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，或者本層次發(fā)現(xiàn)上一層次的設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)，可以回溯到必要的層級(jí)，再進(jìn)行問(wèn)題的更正或系統(tǒng)的優(yōu)化。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)雙迭代過(guò)程

3.2 采用基于模型的設(shè)計(jì)（MBD）技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程

圖5 艦船綜合消防系統(tǒng)基于模型設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程

基于模型的設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，如圖5所示。需求設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行早期驗(yàn)證并實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，數(shù)學(xué)模型優(yōu)化后可以實(shí)現(xiàn)同步的設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，這樣可以在需求分析階段就能消除設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，這樣就可以防止將設(shè)計(jì)錯(cuò)誤傳輸?shù)骄幋a實(shí)現(xiàn)和測(cè)試階段[4～6]。這是由于仿真功能在早期設(shè)計(jì)時(shí)期就可以進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證，對(duì)于嵌入式軟件，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型并使用模型開(kāi)發(fā)環(huán)境的代碼自動(dòng)生成和優(yōu)化功能，而建立的數(shù)學(xué)模型和開(kāi)發(fā)的算法是與我們的需求緊密連接的，通過(guò)持續(xù)不斷的仿真測(cè)試驗(yàn)證后自動(dòng)生成嵌入式代碼并下載到目標(biāo)硬件中。嵌入式軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境可以和模型開(kāi)發(fā)環(huán)境（比如，MATLAB/SIMULINK）進(jìn)行集成，集成的模型開(kāi)發(fā)工具能提供代碼自動(dòng)生成、驗(yàn)證優(yōu)化功能，這樣就可以生成滿(mǎn)足產(chǎn)品需求的代碼。所以基于模型的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，引入了早期仿真驗(yàn)證，這樣就大大地消除了在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并回歸修正以及測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)，并且模型開(kāi)發(fā)環(huán)境支持的自動(dòng)代碼生成功能消除了手寫(xiě)代碼引入的BUG以及大大地提高了效率[10]。

MBD技術(shù)的協(xié)同仿真模型如圖6所示。

圖6 協(xié)同仿真模型

圖6中的原始模型是我們建立的控制算法模型（比如利用Simulink搭建的數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行仿真）。協(xié)同仿真需要協(xié)同仿真模型與目標(biāo)硬件協(xié)同工作。如利用Simulink搭建了需要的算法模型，通過(guò)Simulink的代碼自動(dòng)生成工具生成HDL代碼或者C代碼，代碼經(jīng)過(guò)驗(yàn)證優(yōu)化后編譯為目標(biāo)文件下載到目標(biāo)實(shí)際硬件中去，再利用HDL Verifier工具可以為自動(dòng)生成的代碼建立協(xié)同仿真模型。目標(biāo)實(shí)際硬件與PC端上位機(jī)通過(guò)通信口通信，實(shí)現(xiàn)兩者之間的數(shù)據(jù)交互。協(xié)同仿真模型通過(guò)通信接口將輸入信號(hào)傳送給目標(biāo)硬件，經(jīng)過(guò)目標(biāo)硬件的實(shí)時(shí)處理器計(jì)算完成之后再通過(guò)通信接口傳回給協(xié)同仿真模型，接著信號(hào)源模塊再輸入下一采樣點(diǎn)，如此反復(fù)。協(xié)同仿真結(jié)果和Simulink模型仿真結(jié)果進(jìn)行比較，比較二者在相同輸入相同參數(shù)，同步仿真計(jì)算下的輸出是否相同。協(xié)同仿真是為了驗(yàn)證算法設(shè)計(jì)在硬件上執(zhí)行的正確性，以及算法實(shí)際執(zhí)行時(shí)間的測(cè)試手段。通過(guò)持續(xù)的協(xié)同仿真和測(cè)試，將自動(dòng)生成的代碼在PC端上位機(jī)、目標(biāo)硬件的實(shí)時(shí)微處理器上進(jìn)行非實(shí)時(shí)與實(shí)時(shí)環(huán)境下的仿真和測(cè)試，以保證工程的可靠性和實(shí)時(shí)性。

可以發(fā)現(xiàn)，MBD技術(shù)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：

1）將軟件開(kāi)發(fā)的核心工作轉(zhuǎn)為模型的開(kāi)發(fā)和算法的設(shè)計(jì)，弱化編碼工作；要求開(kāi)發(fā)人員要有更好的頂層設(shè)計(jì)能力；

2）可以實(shí)現(xiàn)在整個(gè)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中使用一致的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)環(huán)境，便于協(xié)同開(kāi)發(fā)[10]；

3）可以將需求分析和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)直接對(duì)應(yīng)，這樣便于需求跟蹤和變更跟蹤，降低設(shè)計(jì)減少或者增加了需求[10]；

4）可以實(shí)現(xiàn)早期驗(yàn)證以及仿真測(cè)試，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量；

5）支持協(xié)同仿真來(lái)優(yōu)化和驗(yàn)證算法；

6）支持自動(dòng)代碼生成和代碼優(yōu)化；

7）可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)重用和復(fù)用。

3.3 采用硬件在環(huán)（HiL）仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)試

艦船綜合消防系統(tǒng)核心部分（探測(cè)報(bào)警以及聯(lián)動(dòng)滅火）主要涉及到的是嵌入式控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，艦船綜合消防系統(tǒng)的消防設(shè)備（探測(cè)器、監(jiān)視模塊盒、各種閥件、各種壓力開(kāi)關(guān)、氣體滅火鋼瓶、細(xì)水霧滅火裝置等）都需要嵌入式控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)視，嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性和安全性對(duì)于整個(gè)綜合消防系統(tǒng)的安全性至關(guān)重要，所以需要全面充分地驗(yàn)證嵌入式控制系統(tǒng)的可靠性和安全性?，F(xiàn)今采用的集成優(yōu)化的研制方式，一般是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行模擬聯(lián)調(diào)，這種模擬聯(lián)調(diào)只連接了很少一部分負(fù)載，而且只是從功能上驗(yàn)證了接口的輸出正確性；模擬聯(lián)調(diào)后雖然還有系統(tǒng)組織的陸上聯(lián)調(diào)，系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)雖然連接的負(fù)載多了很多，但是破壞性大、危害性大的設(shè)備還是無(wú)法實(shí)際驗(yàn)證，并且運(yùn)行環(huán)境也不是真實(shí)的船上環(huán)境，所以系統(tǒng)陸上聯(lián)調(diào)根本上還是驗(yàn)證了功能性和接口正確性，想要全系統(tǒng)的真實(shí)環(huán)境的驗(yàn)證是不太現(xiàn)實(shí)的。針對(duì)這種測(cè)試驗(yàn)證過(guò)程比較復(fù)雜且無(wú)法實(shí)際真實(shí)測(cè)試、硬件環(huán)境依賴(lài)性強(qiáng)等特點(diǎn)，我們可以采用基于模型的設(shè)計(jì)方法去將無(wú)法實(shí)現(xiàn)的負(fù)載和運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行模型仿真出來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)，硬件在環(huán)仿真技術(shù)是一種比較有效的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式。

對(duì)于嵌入式控制系統(tǒng)，核心是嵌入式控制器，用于控制各種設(shè)備，需要和被控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)于嵌入式控制器來(lái)說(shuō)，最為關(guān)心的是被控設(shè)備傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)以及需要接收的控制信號(hào)，而不需要關(guān)心被控設(shè)備是否在線。所以當(dāng)測(cè)試嵌入式控制系統(tǒng)時(shí)，考慮到安全以及成本，很多測(cè)試是無(wú)法實(shí)際測(cè)試，比如測(cè)試消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)滅火功能，需要發(fā)生實(shí)際火災(zāi)以及真實(shí)動(dòng)作氣體滅火鋼瓶進(jìn)行滅火，這測(cè)試成本太高而且氣體滅火有相當(dāng)大的危險(xiǎn)性，所以需要使用HiL仿真來(lái)模擬部分系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。HiL仿真測(cè)試功能強(qiáng)大，能滿(mǎn)足嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性等測(cè)試要求[7～11]。

HIL仿真測(cè)試系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成：電控單元（Electronic Control Unit，ECU）、硬件I/O接口、實(shí)時(shí)處理器、上位機(jī)界面，如圖7所示。實(shí)時(shí)處理器是負(fù)責(zé)運(yùn)行被控對(duì)象和運(yùn)行環(huán)境的仿真模型、給ECU產(chǎn)生輸入信號(hào)、接收ECU的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)記錄等工作，為了能夠精確地仿真測(cè)試平臺(tái)中物理上不存在的部分，如有害氣體滅火劑及其真實(shí)的運(yùn)行環(huán)境，實(shí)時(shí)處理器需要有較高的實(shí)時(shí)性。硬件I/O接口用于與被測(cè)目標(biāo)硬件數(shù)據(jù)交互。ECU就是綜合消防系統(tǒng)控制器，通過(guò)I/O接口和實(shí)時(shí)處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。上位機(jī)操作界面和監(jiān)控界面與實(shí)時(shí)處理器通信，在上位機(jī)中可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試命令的輸出，硬件配置管理，測(cè)試激勵(lì)創(chuàng)建，模型動(dòng)態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，測(cè)試自動(dòng)化，測(cè)試數(shù)據(jù)記錄、分析和報(bào)告生成等功能[12～13]。

圖7 硬件在環(huán)仿真模型

硬件在環(huán)測(cè)試是一種基于模型的測(cè)試方法，可以提高設(shè)計(jì)的正確性和產(chǎn)品的質(zhì)量；可以實(shí)現(xiàn)需求分析和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的早期仿真驗(yàn)證，有效降低開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的錯(cuò)誤與缺陷；可以降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)和測(cè)試成本，HiL通過(guò)模擬被控對(duì)象以及其運(yùn)行環(huán)境來(lái)模擬實(shí)際的測(cè)試過(guò)程，可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全面地驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)的各種控制輸出功能，通過(guò)模擬被控對(duì)象和其運(yùn)行環(huán)境，這樣可以減少設(shè)計(jì)早期階段為了后期的測(cè)試驗(yàn)證所進(jìn)行的試驗(yàn)設(shè)備的采購(gòu)配置以及真實(shí)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)；通過(guò)軟件的配置，可以滿(mǎn)足不同的測(cè)試要求，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境以及最不利的運(yùn)行環(huán)境、邊界測(cè)試、滿(mǎn)負(fù)載、設(shè)備壽命臨界點(diǎn)、高危測(cè)試等測(cè)試要求，只需要通過(guò)軟件進(jìn)行相應(yīng)的配置就可以方便實(shí)現(xiàn)測(cè)試[9]。

4 MBD在艦船綜合消防系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

研究基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)，解決目前消防安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中暴露出來(lái)的問(wèn)題，不是偶然發(fā)生的個(gè)例，而是當(dāng)前復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及安全性關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中存在的普遍現(xiàn)象。

現(xiàn)代復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)，往往涉及學(xué)科領(lǐng)域眾多、系統(tǒng)功能、行為安全性和可靠性要求高、系統(tǒng)復(fù)雜、接口數(shù)量巨大、數(shù)據(jù)交互復(fù)雜，且材料和形狀各異，其研制需要多部門(mén)多領(lǐng)域的協(xié)同開(kāi)發(fā)、需要更加科學(xué)的項(xiàng)目管理、成本控制以及研制開(kāi)發(fā)周期控制。這就使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程很難適應(yīng)現(xiàn)在越來(lái)越復(fù)雜的系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)要求，暴露出來(lái)的直接表現(xiàn)就是：研發(fā)成本不斷的攀升、研發(fā)周期不斷的延長(zhǎng)、研發(fā)創(chuàng)新日益困難等。

可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)領(lǐng)域在其研發(fā)項(xiàng)目復(fù)雜程度發(fā)展到一定階段，都需要面對(duì)和解決系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的問(wèn)題，都需要逐漸擺脫舊有的傳統(tǒng)方法，采用更先進(jìn)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方法。在“十三五”開(kāi)端，我國(guó)海軍針對(duì)艦船裝備設(shè)計(jì)制造流程的復(fù)雜性、數(shù)據(jù)源的多樣性、設(shè)計(jì)更改頻繁、效率低的問(wèn)題，也明確提出了開(kāi)展“基于數(shù)字化模型的艦船設(shè)計(jì)”建造廠所協(xié)同機(jī)制的研究方向。

艦船綜合消防系統(tǒng)，作為一種安全性關(guān)鍵的復(fù)雜系統(tǒng)，采用系統(tǒng)功能的思路以及基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)是適應(yīng)技術(shù)發(fā)展客觀需求的研究方向，具有顯著的軍事價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

艦船綜合消防系統(tǒng)基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，可以以系統(tǒng)工程方法為指導(dǎo)，綜合運(yùn)用基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)、協(xié)同仿真驗(yàn)證技術(shù)以及硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證技術(shù)，并通過(guò)流程控制方法和過(guò)程支持工具的有效的銜接，將形成高效、有力的系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和組織方法，為開(kāi)發(fā)核心技術(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綜合消防系統(tǒng)的整體國(guó)產(chǎn)化及安全性能的全面升級(jí)提供技術(shù)支撐。

基于系統(tǒng)工程方法論和基于模型的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以建立一種多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程框架，規(guī)范系統(tǒng)項(xiàng)層設(shè)計(jì)與具體領(lǐng)域設(shè)計(jì)的接口方式和流程模型，實(shí)現(xiàn)短周期、多并行的工作模式。它可以研究并建立基于模型的綜合消防系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程，并實(shí)現(xiàn)早期驗(yàn)證、協(xié)同開(kāi)發(fā)、代碼自動(dòng)生成和優(yōu)化、協(xié)同仿真、硬件在環(huán)仿真驗(yàn)證的能力。