一種基于MBSE 的飛行傳感器系統(tǒng)需求建模方法?

韋彩色 曹云峰

（南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院 南京 210016）

1 引言

隨著計算機(jī)技術(shù)和航空航天技術(shù)的快速發(fā)展，新一代飛行器任務(wù)日益增加，促進(jìn)了其各系統(tǒng)規(guī)模不斷龐大，組成結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜，對系統(tǒng)的設(shè)計要求不斷提高。有關(guān)研究表明，大量系統(tǒng)研制項目的失敗是由于不合格的需求信息導(dǎo)致的［1～2］。因此，在系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的早期，有必要先對系統(tǒng)的需求進(jìn)行詳細(xì)分析。

傳統(tǒng)的需求工程方法由于基于文檔形式而不能進(jìn)行需求跟蹤以及檢查各種錯誤和沖突；而且文檔偏向于自然語言的表達(dá)方式，容易造成需求表達(dá)不充分性和二義性；甚至文檔的不可執(zhí)行性，使得系統(tǒng)需求缺乏必要的驗證手段，降低了系統(tǒng)開發(fā)效率和質(zhì)量［3～4］。為解決這些不足，國際系統(tǒng)工程學(xué)會（INCOSE）聯(lián)合對象管理組織（OMG）提出了“基于模型的系統(tǒng)工程”的思想［4］。該思想通過模型從不同角度全面展示系統(tǒng)需求的內(nèi)容，消除信息表達(dá)的二義性，可視性強(qiáng)，修改方便，具有可執(zhí)行性。

傳感器系統(tǒng)是一種涉及電子、機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜系統(tǒng)。它相當(dāng)于飛行器的感應(yīng)器官，負(fù)責(zé)采集飛行器的姿態(tài)、高度等信息，是飛控系統(tǒng)等系統(tǒng)做出控制的判斷依據(jù)。隨著新一代飛行器高安全性和高可靠性的要求，使傳感器系統(tǒng)變得種類繁多、功能復(fù)雜、需求多變［5］。在傳感器系統(tǒng)需求分析和驗證上，目前的研究大多采用有限元分析、Simulink仿真等方法［6，9］對單個傳感器進(jìn)行分析，無法對系統(tǒng)的需求進(jìn)行整體分析與集成驗證。鑒于此，本文提出一種基于MBSE 的飛行傳感器系統(tǒng)需求建模分析方法，輔以DOORS對其需求進(jìn)行管理。

2 飛行傳感器系統(tǒng)需求管理

正如上面所述，飛行傳感器系統(tǒng)種類繁多、功能復(fù)雜，需求多變，有必要對其需求進(jìn)行管理。直接從用戶捕獲得的需求在系統(tǒng)工程中被稱為涉眾需求，其存在信息表達(dá)的不明確性和二義性等問題，需將涉眾需求翻譯成系統(tǒng)需求，即明確系統(tǒng)必須做什么（功能需求）以及如何執(zhí)行好（服務(wù)需求的質(zhì)量），方便設(shè)計人員的理解［10］。它們往往以Word形式存在。本文采用DOORS 作為需求管理工具，DOORS 在需求修改歷程的記錄、需求變更、需求跟蹤、與Word 等軟件的集成等方面顯示出很大的優(yōu)勢［11］。設(shè)計人員可點擊Word 工具欄中超鏈接Ex?port to DOORS 圖標(biāo)將需求導(dǎo)入DOORS 中；也可手動輸入需求。系統(tǒng)涉及的傳感器種類繁多，功能多樣，因此，在DOORS中可按照傳感器種類或者功能來劃分，以文件夾方式進(jìn)行組織。系統(tǒng)中每個部件涉及需求內(nèi)容復(fù)雜多變，其需求在DOORS 中以條目化、分層級結(jié)構(gòu)存在［12］，如：第一級描述初始需求，第二級用于對初始需求進(jìn)行篩選、添加等變更，以此類推，直到形成完整的、明確的需求描述。這不僅便于修改需求，而且提高了瀏覽的便捷性，方便設(shè)計人員與用戶之間的溝通。此外，設(shè)計人員可借助視圖、鏈接等功能，對飛行傳感器系統(tǒng)的需求進(jìn)行跟蹤管理，避免某需求的遺漏和需求之間的矛盾沖突。

3 飛行傳感器系統(tǒng)需求建模

為應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)需求復(fù)雜性和多樣性的挑戰(zhàn)，MBSE 思想已逐漸應(yīng)用于需求工程，SysML 則作為系統(tǒng)建模規(guī)范的手段，以構(gòu)建需求模型，通過模型的執(zhí)行，實現(xiàn)對需求分析和驗證［13］。Rhapsody是由IBM 公司提供的、支持SysML 的工具，其提供與配置管理工具、需求管理工具等集成的接口［14］。本文通過集成接口Gateway，將飛行傳感器系統(tǒng)需求從DOORS 導(dǎo)入Rhapsody 中，便于在后續(xù)設(shè)計中確立需求的可跟蹤性；采用SysML用例圖對飛行傳感器系統(tǒng)需求進(jìn)行靜態(tài)建模，從每個參與者的角度分析系統(tǒng)需求，逐層細(xì)化，獲得需求的元模型，使不同背景的設(shè)計人員對需求達(dá)成統(tǒng)一認(rèn)識和理解，便于后期設(shè)計開發(fā)。用例圖是設(shè)計人員常用于分析系統(tǒng)的一種圖型。用例模型包含參與者（Actor）、用例（Use Case）以及關(guān)聯(lián)（Association）三個模型元素［15］。

從參與者的角度分析飛行傳感器系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求。根據(jù)飛行傳感器系統(tǒng)的特點，將參與者進(jìn)行簡單分類。主要分為以下四大類：1）消費者（客戶）。表示使用飛行傳感器系統(tǒng)的利益相關(guān)者；2）供應(yīng)商。代表參與項目交付的所有利益相關(guān)者，又細(xì)分為：設(shè)計人員、維修人員；3）系統(tǒng)外部環(huán)境。表示以某種方式約束傳感器系統(tǒng)的利益相關(guān)者，例如：飛控系統(tǒng)；4）質(zhì)量監(jiān)管部門。表示負(fù)責(zé)驗收系統(tǒng)相關(guān)質(zhì)量指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)的利益相關(guān)者。

圖1 各個參與者對應(yīng)的系統(tǒng)需求用例模型

圖1 顯示從各個參與者角度描述飛行傳感器系統(tǒng)需求的用例模型。例如：從用戶的角度，主要要求是“獲取飛行器信息、高可靠性、高穩(wěn)定性、容錯性、經(jīng)濟(jì)性”，其中飛行器信息包含“高度、姿態(tài)、位置、相關(guān)溫度”等，“容錯性”包含“具有自檢測功能、具有冗余通道”。即使所得的每個用例模型不完整，但也會帶來三個好處：1）單獨從每個參與者的角度考慮系統(tǒng)用例，確保每個系統(tǒng)用例都被捕獲；2）通過一起查看這些用例模型，可捕獲系統(tǒng)的所有需求；3）參與者可只關(guān)注其感興趣的相關(guān)用例。通過比較每個用例模型，可發(fā)現(xiàn)潛在的沖突或重復(fù)。雖然表達(dá)方式可能不同，但最終從系統(tǒng)本身角度看，其需求的本質(zhì)是一樣的。例如，消費者、設(shè)計人員以及飛控系統(tǒng)都要求該系統(tǒng)能夠獲取飛行器的姿態(tài)、高度等信息。因此，為了避免需求之間的重復(fù)沖突，整理圖1 中的所有用例模型，從系統(tǒng)本身的角度出發(fā)，最終建立完整的，無重復(fù)的飛行傳感器系統(tǒng)需求的用例模型如圖2 所示，獲得了系統(tǒng)的需求用例元模型。

圖2 飛行傳感器系統(tǒng)需求的用例模型

4 需求建模實例分析

本節(jié)以某型號無人機(jī)傳感器系統(tǒng)為例，利用上文建立的元模型庫，搭建該系統(tǒng)需求模型。將根據(jù)用戶得出的涉眾需求轉(zhuǎn)化成對應(yīng)的系統(tǒng)需求，分別在DOORS 中進(jìn)行描述。通過DOORS 中Link Mod?ule 將涉眾需求與系統(tǒng)需求關(guān)聯(lián)起來，建立滿足（satisfy）關(guān)系，保證系統(tǒng)需求完整地覆蓋涉眾需求，從而保證后續(xù)系統(tǒng)建模與涉眾需求的一致性，如圖3所示。

通過Gateway將DOORS中的需求導(dǎo)入到Rhap?sody 飛行傳感器系統(tǒng)項目中。該無人機(jī)傳感器系統(tǒng)需求為：能夠與飛行控制系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，將姿態(tài)、位置等信息反饋給飛行控制系統(tǒng)［16］；系統(tǒng)本身具有穩(wěn)定性、可靠性以及容錯性。利用上文獲得的飛行傳感器系統(tǒng)需求用例元模型，搭建該系統(tǒng)需求模型如圖4 所示。系統(tǒng)用例模型中的參與者與用例之間存在關(guān)聯(lián)（link）關(guān)系，用例之間存在包含（include）關(guān)系等。

圖3 關(guān)聯(lián)系統(tǒng)需求到涉眾需求

圖4 某型號傳感器系統(tǒng)用例模型視圖

5 結(jié)語

針對飛行傳感器種類繁多，功能復(fù)雜，需求多變的特點，本文通過DOORS對系統(tǒng)需求進(jìn)行管理，不僅可實現(xiàn)多人對需求更改，而且能實現(xiàn)需求的跟蹤性，直觀地描述需求之間的關(guān)系。通過Gateway集成Rhapsody 與DOORS，實現(xiàn)需求的動態(tài)轉(zhuǎn)移?；贛BSE 采用用例圖對系統(tǒng)需求進(jìn)行建模，獲得飛行傳感器系統(tǒng)的需求元模型。以某型號無人機(jī)傳感器系統(tǒng)為例進(jìn)行分析與驗證?？梢园l(fā)現(xiàn)，基于MBSE 的思想對飛行傳感器系統(tǒng)需求進(jìn)行分析，不僅可以消除信息表達(dá)的二義性，便于需求變更；而且需求模型具有重用性，方便系統(tǒng)后續(xù)的開發(fā)。本文主要工作是對飛行傳感器系統(tǒng)需求進(jìn)行靜態(tài)建模，下一步可通過使用SysML 序列圖、狀態(tài)圖等行為圖對需求進(jìn)行動態(tài)描述與進(jìn)一步驗證。