基于MBSE的大型天線系統(tǒng)設(shè)計方法

陳志平，萬永偉，何昱輝，李春光，凌 曦，孫哲杰

(1.杭州電子科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710100)

0 引 言

隨著我國探月工程、“北斗”衛(wèi)星系統(tǒng)、暗能量探測和“天問系列”行星探測的不斷推進(jìn)，天線產(chǎn)品經(jīng)歷了純機(jī)械系統(tǒng)到機(jī)電一體化、機(jī)電軟件等多學(xué)科高度綜合的過程，其功能和結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜[1]。傳統(tǒng)大型天線設(shè)計方法雖有相對成熟的研制流程，但設(shè)計中仍存在一些不足，如各設(shè)計階段傳遞的信息不一致且存在大量冗余，協(xié)調(diào)工作十分繁重等。特別是設(shè)計初始階段缺少嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼蜻壿嬐蒲?，需求、功能及架?gòu)分析不足，缺少有效分解驗證，導(dǎo)致產(chǎn)品研制流程難以閉環(huán)，設(shè)計方案的頻繁更改也難以保證各個階段信息傳遞的一致性和追溯性。為了解決這些問題，國際大型天線項目如歐洲極大望遠(yuǎn)鏡(European Extremely Large Telescope，E-ELT)、大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡(The Giant Magellan Telescope，GMT)積極實(shí)踐和推進(jìn)基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based Systems Engineering，MBSE)，建立了大量系統(tǒng)模型以驗證大型望遠(yuǎn)鏡所需的功能和性能要求[2-3]。Robert等[4]在E-ELT初步設(shè)計階段，探索大型望遠(yuǎn)鏡的系統(tǒng)建模方法，建立了系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)了可驗證的系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)并按時高質(zhì)量地交付項目。David等[5]在GMT中探索集成建模體系，通過MBSE進(jìn)行控制分析和有限元模型分析，得到風(fēng)載的初步性能結(jié)果。2017年，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(International Organization for Standardization，ISO)將系統(tǒng)建模語言(System Modeling Language，SysML)標(biāo)準(zhǔn)化后，進(jìn)一步加速了模型驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展[6]。美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)采用MBSE方法展開積極實(shí)踐，提升了項目的經(jīng)濟(jì)性，提高了研發(fā)質(zhì)量，縮短了研發(fā)周期[7-9]。

近年來，MBSE在航空航天、復(fù)雜機(jī)電產(chǎn)品領(lǐng)域的應(yīng)用研究越來越多，但在大型天線領(lǐng)域的相關(guān)研究仍處于探索階段。本文主要研究MBSE在大型天線設(shè)計中的應(yīng)用，基于SysML語言，從理論分析、模型設(shè)計和驗證分析等方面著手，完善傳統(tǒng)設(shè)計方法前期階段的不足，以得到一套無歧義、數(shù)據(jù)源統(tǒng)一、各指標(biāo)需求可追溯驗證的設(shè)計方案。

1 MBSE應(yīng)用分析

1.1 MBSE設(shè)計流程

圖1 V型設(shè)計流程

MBSE以可視化數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，通過需求驅(qū)動系統(tǒng)的分析、設(shè)計、制造、生產(chǎn)、試驗、驗證和售后等工作，從概念階段開始，貫穿整個系統(tǒng)的生命周期。其中最為經(jīng)典的V型設(shè)計流程如圖1所示。V型設(shè)計從需求階段開始定義產(chǎn)品設(shè)計初期各個方面的需求，在方案早期階段提供一個通用的、無二義的信息傳遞方式，通過模型優(yōu)化迭代來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系統(tǒng)設(shè)計，縮短了設(shè)計研發(fā)周期[10]。

1.2 天線設(shè)計的MBSE方法

采用MBSE的天線設(shè)計方法從需求分析、功能分解、架構(gòu)生成3個方面，對研制過程進(jìn)行表征，保證需求、功能、架構(gòu)間信息傳遞的一致性。設(shè)計前期的需求分析驅(qū)動功能分解，架構(gòu)生成承載系統(tǒng)功能并滿足利益相關(guān)者的需求，通過各個設(shè)計階段嚴(yán)密邏輯關(guān)系以保證信息的可追溯性和可驗證性。

需求分析階段如圖2所示，包括需求分析和需求建模兩個階段，兩者相輔相成。通過需求分析來識別利益相關(guān)者，采用問題、問題域獲知手段，如查閱相關(guān)領(lǐng)域文獻(xiàn)、咨詢相關(guān)研發(fā)團(tuán)隊等，經(jīng)過歸納、整理，得到項目背景、招標(biāo)文件等輸入需求。需求建模對涉眾需求進(jìn)行甄別，明確主次，取舍權(quán)衡，采用用例圖、需求圖逐層逐級分解為系統(tǒng)級需求、子系統(tǒng)級需求。最終分解出系統(tǒng)的行為、能力、傳遞信息等功能需求和經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性等性能需求。其中性能需求描述系統(tǒng)行為的達(dá)成度即有效性測量指標(biāo)(Measures of Effectiveness, MOE)。

圖2 需求分析示意圖

功能分解階段如圖3所示，對系統(tǒng)用例、功能需求和MOE進(jìn)行分析，提煉出頂層功能活動并通過一系列場景進(jìn)行描述、定義，通過用例、活動圖將頂層功能活動分解并明確系統(tǒng)功能和性能度量(Measures of Performance, MOP)。系統(tǒng)功能對應(yīng)功能需求，MOP對應(yīng)MOE。對功能進(jìn)行流程、狀態(tài)分析，確定功能的實(shí)現(xiàn)行為和技術(shù)性能指標(biāo)(Technical Performance Measures, TPM)。

圖3 功能分解及架構(gòu)生成示意圖

架構(gòu)生成階段是對系統(tǒng)功能和MOP進(jìn)行分配，結(jié)合該領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗抽象出系統(tǒng)邏輯架構(gòu)。將邏輯架構(gòu)展開，使用活動圖泳道將行為映射到分系統(tǒng)組件，并分配技術(shù)性能指標(biāo)向下游設(shè)計師傳遞設(shè)計要求，最終得到系統(tǒng)物理架構(gòu)。

2 基于MBSE的天線系統(tǒng)設(shè)計

2.1 天線需求分析及建模

依據(jù)天線研制總要求，大型可動式拋物柱面天線的口徑為40 m，軸向長度140 m，分為3個天線單元，俯仰轉(zhuǎn)動范圍±45°。細(xì)化系統(tǒng)級用例及利益相關(guān)者如圖4所示。系統(tǒng)級用例場景描述需求獲取、方案評估、系統(tǒng)設(shè)計等研制過程，識別利益相關(guān)者并對其進(jìn)行細(xì)化，如用戶在研制過程中扮演提出需求的角色，包括科學(xué)家、天文學(xué)家、學(xué)者、天文臺和操作者等，從而識別利益相關(guān)者需求。

圖4 天線系統(tǒng)級用例及利益相關(guān)者細(xì)化

將利益相關(guān)者需求進(jìn)行提煉和權(quán)衡，得到系統(tǒng)級需求。確定系統(tǒng)級需求后，對系統(tǒng)級用例進(jìn)行分解，通過場景反復(fù)迭代分析，描述系統(tǒng)、子系統(tǒng)、外部環(huán)境、人員間的關(guān)系，提煉子系統(tǒng)級需求，并導(dǎo)入到需求模型中，建立三級條目化需求如圖5所示。

圖5 天線三級條目化需求

通過對用例場景的細(xì)化分解，結(jié)合天線系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗，按照不同側(cè)重點(diǎn)將天線發(fā)散的需求圈定范圍，進(jìn)而對天線需求進(jìn)行捕獲和分解，構(gòu)建天線子系統(tǒng)需求如圖6所示，主要包含接口需求、饋源網(wǎng)絡(luò)需求、天線機(jī)械結(jié)構(gòu)需求等，其中天線機(jī)械結(jié)構(gòu)需求分為保精度加速度、天線鎖定位置、饋源調(diào)節(jié)能力等，性能需求分為可靠性、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等。

圖6 天線子系統(tǒng)需求圖

需求圖是對需求間繼承、泛化、組成關(guān)系的表示，而不是對需求條目化的簡單復(fù)述，通過這種形式將利益相關(guān)者需求、系統(tǒng)級需求、子系統(tǒng)級需求不斷細(xì)化分解，進(jìn)而建立需求三級模型，可視化程度高，便于追溯管理。

2.2 天線功能分解及架構(gòu)生成

將文字描述的子系統(tǒng)需求具象為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程，建立系統(tǒng)頂層功能用例并將需求分配到具體行為中，構(gòu)建頂層功能用例如圖7所示。其中，觀測要求需滿足性能需求，天線控制需滿足伺服控制需求，數(shù)據(jù)傳輸需滿足接口需求。

圖7 天線頂層功能用例

對系統(tǒng)行為進(jìn)行分解并建立活動圖，詳細(xì)描述天線功能場景，最終每個功能對應(yīng)一個或多個活動和場景，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)級需求的承載。將天線觀測功能展開，描述天線運(yùn)行過程，明確各功能間的關(guān)系和執(zhí)行順序，將觀測功能分解為如圖8。獲取工作計劃和目標(biāo)參數(shù)后，通過控制系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)等待任務(wù)執(zhí)行，任務(wù)開始后控制天線到達(dá)預(yù)定位置，修正指向模型跟蹤目標(biāo)、實(shí)時調(diào)整反射面位置采集觀測數(shù)據(jù)，同時對整個過程進(jìn)行監(jiān)控記錄，任務(wù)結(jié)束后生成報告。

圖8 觀測功能分解

需求分析和頂層功能分解后，使用活動圖泳道對觀測流程進(jìn)行分配，得到系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖9所示。將獲取工作計劃和目標(biāo)軌道數(shù)據(jù)、編制計劃下發(fā)參數(shù)、生成任務(wù)執(zhí)行報告等功能分配到輔助設(shè)備單元，同理可劃分出伺服控制單元、機(jī)械結(jié)構(gòu)單元、天線標(biāo)校單元、饋源網(wǎng)絡(luò)單元和測試標(biāo)校單元。將安全性、維修性、保障性等MOE承載到系統(tǒng)，將尺寸、重量、壽命、等MOP承載到分系統(tǒng)，建立系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖10所示。

圖9 邏輯架構(gòu)分配

圖10 邏輯架構(gòu)生成

確定系統(tǒng)邏輯架構(gòu)后，對系統(tǒng)功能進(jìn)一步分解，細(xì)化作為物理架構(gòu)功能分配的輸入源，物理架構(gòu)分配得到如圖11所示，將天線運(yùn)行過程分解，并通過泳道將自鎖裝置、緩沖器、限位器等功能分配給座架結(jié)構(gòu)，將觀測、速度檢查、負(fù)載檢測等功能分配給天線反射體，同理將組成模塊進(jìn)一步分配，如滾動導(dǎo)軌分為滾珠、下V靜導(dǎo)軌、上V動導(dǎo)軌。將組件數(shù)、單塊重量、精度等TPM承載到組件，生成系統(tǒng)物理架構(gòu)，如圖12所示。

圖11 物理架構(gòu)分配

圖12 物理架構(gòu)生成

隨著各分系統(tǒng)不斷向下的分解、細(xì)化，這一過程依據(jù)不同顆粒度，可分解到不同的系統(tǒng)組成單元。

3 天線系統(tǒng)設(shè)計變更分析與案例驗證

3.1 變更分析

系統(tǒng)架構(gòu)生成后向下游提交設(shè)計要求，待下游反饋詳細(xì)設(shè)計信息后生成實(shí)例，在系統(tǒng)層級對可視化模型進(jìn)行分析，從而完善方案設(shè)計階段的不足。通過參數(shù)圖、內(nèi)部塊圖建立分析模型，在系統(tǒng)層級進(jìn)行權(quán)衡分析，如圖13所示。確定系統(tǒng)架構(gòu)后計算MOP，可采用2種方式進(jìn)行系統(tǒng)級權(quán)衡分析。一是啟發(fā)下游設(shè)計，將總體指標(biāo)預(yù)先分配至各分系統(tǒng)，得到各組件TPM參考范圍，對其選型賦值，只要優(yōu)于或滿足參考范圍，則輸出詳細(xì)設(shè)計方案；反之，則繼續(xù)迭代直到滿足要求。二是驗證下游設(shè)計，將專業(yè)設(shè)計信息TPM導(dǎo)入系統(tǒng)模型，進(jìn)行模型分析，若滿足初始MOP則滿足需求，輸出詳細(xì)設(shè)計方案；反之，則反饋下游重新設(shè)計。

圖13 權(quán)衡分析示意圖

分析驗證后通過追溯矩陣，嚴(yán)格定義需求、MOE、功能、MOP、架構(gòu)、TPM間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證信息傳遞的一致性。在系統(tǒng)模型分析后，當(dāng)需求發(fā)生變化或組件變更時，可輕易通過邏輯關(guān)系獲得涉及變更的元素，便于需求變更分析，縮短了變更周期，提高了設(shè)計效率。

3.2 案例驗證

以天線運(yùn)行關(guān)鍵傳動部件分析為例，建立傳動部分核心組件-滾珠分析模型如圖14所示。在MBSE中將傳統(tǒng)經(jīng)驗公式封裝到模型，通過分析模型調(diào)用計算工具進(jìn)行計算，方案設(shè)計階段只需修改相應(yīng)參數(shù)即可進(jìn)行驗證，其大致過程為：圓弧滾動導(dǎo)軌與單排回轉(zhuǎn)軸承相似，負(fù)載為額定靜容量，采用額定靜容量計算其滾珠尺寸及性能參數(shù)。

圖14 傳動件-滾珠分析模型

(1)

式中，d為滾動體直徑，單位為mm；C為額定靜容量，單位為N；f為滾道硬度系數(shù)；z為滾動體個數(shù)；a為滾道接觸角，取值為45°。一般情況下，滾珠平衡位置應(yīng)承受天線反射體所有重量，且滿足2倍以上安全系統(tǒng)，故取C=9.2×105N，f=30 N/mm2，考慮極端情況下只有5個滾珠承重，故z=5。滾珠分析結(jié)果如圖15(a)所示，通過計算得到滾珠直徑d≥93 mm，即選用GCr15型號的滾珠直徑必須大于93 mm才能滿足系統(tǒng)需求，得到天線系統(tǒng)滾珠最佳排布方式為3組，每組21顆如圖15(b)所示。

圖15 傳動件-滾珠分析結(jié)果

在需求分析階段，MBSE方法對需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)化、模塊化設(shè)計，建立需求追溯、需求功能追溯矩陣如圖16、圖17所示，對需求進(jìn)行定義、分解和分配，建立不間斷雙向關(guān)聯(lián)鏈和協(xié)同機(jī)制保證利益相關(guān)者共享追溯信息，實(shí)現(xiàn)需求的一站式導(dǎo)入和捕獲、端到端的全局需求追溯及需求變更流程管理，方便于設(shè)計方案的分析、修改和驗證。

通過系統(tǒng)模型自動追溯利益相關(guān)者需求、系統(tǒng)需求、功能及架構(gòu)的繼承及滿足關(guān)系，得到天線系統(tǒng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)模型變更關(guān)系分析如圖18所示。若自頂向下分析，當(dāng)需求改變或提出新需求時，從利益相關(guān)者需求、系統(tǒng)需求、天線功能和架構(gòu)的傳遞過程中，逐層逐級分析受需求變更影響的天線功能、性能和架構(gòu)設(shè)計；若自底向上分析，當(dāng)某個組件如滾珠方案改變時，通過變更關(guān)系得到受到影響的系統(tǒng)架構(gòu)、功能、性能和需求，如滾動導(dǎo)軌、機(jī)械結(jié)構(gòu)單元、天線觀測、主反射面形式、巡天觀測需求等。

圖16 三級需求追溯矩陣

圖17 需求功能追溯矩陣

圖18 系統(tǒng)模型變更關(guān)系分析

4 結(jié)束語

本文結(jié)合項目實(shí)踐經(jīng)驗，提出一種應(yīng)用MBSE的大型天線系統(tǒng)設(shè)計方法，并以40 m×140 m的大型可動式拋物柱面天線研究設(shè)計為例，建立三級需求模型，解決傳統(tǒng)設(shè)計方法需求分析不足問題；以需求驅(qū)動設(shè)計，需求、行為、功能和指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)，解決傳統(tǒng)設(shè)計方法溯源、查找、修改難等問題；通過方案階段進(jìn)行系統(tǒng)級分析驗證，解決傳統(tǒng)設(shè)計方法在前期難以閉環(huán)問題。結(jié)果表明基于MBSE的系統(tǒng)模型可以統(tǒng)一多學(xué)科異構(gòu)知識進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，減少了冗余，設(shè)計方案滿足用戶需要、達(dá)到設(shè)計要求。后續(xù)將在大型天線研發(fā)項目中不斷實(shí)踐，充實(shí)知識資料庫，建立大型天線系統(tǒng)三級模型庫，以縮短研發(fā)周期，節(jié)約研制成本，提高設(shè)計效率。