民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)MBSE建模方法

范秋岑, 畢文豪, 張 安, 王文浩

(西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院, 陜西 西安 710072)

0 引 言

飛機(jī)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)既復(fù)雜、周期又長(zhǎng)的工作,傳統(tǒng)的民機(jī)高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于文本的系統(tǒng)工程,設(shè)計(jì)過(guò)程中的需求與交互信息通過(guò)自然語(yǔ)言的方式進(jìn)行記錄和變更。這種方法具有很大缺陷:民用飛機(jī)控制系統(tǒng)作為復(fù)雜系統(tǒng),很難被自然語(yǔ)言全面詳盡地描述出來(lái),文字描述不夠直觀;文檔之間不易追溯,各方溝通時(shí)需要依賴不斷更新的術(shù)語(yǔ)、詞匯表,不易對(duì)高度控制系統(tǒng)進(jìn)行形象化表達(dá)和一致性理解。在設(shè)計(jì)過(guò)程中,經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)設(shè)計(jì)信息缺乏一致性、版本錯(cuò)亂、可讀性差等問(wèn)題,導(dǎo)致設(shè)計(jì)成本的增加乃至重大安全隱患,因此亟需一種新的設(shè)計(jì)方法。

基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering,MBSE)方法是指通過(guò)形式化的建模語(yǔ)言描述系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、參數(shù),以模型驅(qū)動(dòng)的形式結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì),并貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)周期的設(shè)計(jì)方法。MBSE方法基于模型驅(qū)動(dòng)的思想進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì),其重點(diǎn)是在不同的場(chǎng)景條件下進(jìn)行功能分析,采用模型形式來(lái)描述、分析和檢驗(yàn)飛機(jī)及其系統(tǒng)在各種飛行任務(wù)或運(yùn)行場(chǎng)景下的活動(dòng)內(nèi)容、狀態(tài)特性、交互信息,并生成與之匹配的功能需求、功能接口、測(cè)試場(chǎng)景和邏輯架構(gòu)的過(guò)程。其結(jié)構(gòu)化、模型化的系統(tǒng)需求、功能與架構(gòu)的定義、分配與追溯鏈接關(guān)系能夠快速響應(yīng)需求的變化,并及時(shí)指導(dǎo)后期的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、綜合和驗(yàn)證過(guò)程,促進(jìn)了系統(tǒng)工程項(xiàng)目中的一致性、溝通性、清晰性和可維護(hù)性,并解決了與成本、復(fù)雜性和安全性相關(guān)的問(wèn)題。

目前,MBSE方法的關(guān)注度正在不斷上升,已經(jīng)被國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用于航空、航天、車輛工程等領(lǐng)域內(nèi)復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作當(dāng)中,并且已經(jīng)取得較好的實(shí)際應(yīng)用效果。同時(shí),為了更好支持MBSE建模方法,國(guó)際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)(international council of systems engineering, INCOSE)和對(duì)象管理組織(object management group, OMG)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了系統(tǒng)建模語(yǔ)言(systems modeling language, SysML),是一種統(tǒng)一的、可擴(kuò)展的、易于理解的系統(tǒng)工程通用建模語(yǔ)言,用于指定、分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證復(fù)雜系統(tǒng),這些系統(tǒng)可能包括硬件、軟件、信息、人員、程序和設(shè)施,是MBSE的重要工具。SysML提供了系統(tǒng)需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)圖形化建模的語(yǔ)義基礎(chǔ),并且能夠與其他工程分析模型集成。

本文參考美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(department of defense architecture framework, DoDAF)，基于MBSE設(shè)計(jì)方法和思路進(jìn)行民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的研究，并以高度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，進(jìn)行MBSE建模過(guò)程的示范和高度控制系統(tǒng)SysML模型示例。

1 基于DoDAF的MBSE建模方法架構(gòu)設(shè)計(jì)

民機(jī)高度控制系統(tǒng)的MBSE建模架構(gòu)能夠?qū)⒏叨瓤刂葡到y(tǒng)的目的、邊界、交互、活動(dòng)執(zhí)行、接口等系統(tǒng)信息與結(jié)構(gòu)用各種模型進(jìn)行詳細(xì)描述,可以更直觀、準(zhǔn)確地反映高度控制系統(tǒng)需求與功能,降低描述的二義性,同時(shí)充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),有助于系統(tǒng)、全面地構(gòu)建模型。

為了對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行更全面、細(xì)致、一致的描述,在建模中基于DoDAF V2.0,從數(shù)據(jù)、模型和視圖3方面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述,從不同的角度對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行了邏輯分組,各視圖下的模型互為補(bǔ)充,在邏輯上具備一致性和完備性,契合復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念,能夠最大程度地完整描述復(fù)雜的、多層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

針對(duì)現(xiàn)有建模方法難以全面描述復(fù)雜系統(tǒng)、建模語(yǔ)義二義性強(qiáng)、設(shè)計(jì)文檔變更難度大等問(wèn)題,本文基于DoDAF,提出了如圖1所示的基于DoDAF的MBSE建模架構(gòu)。從多種視圖對(duì)民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)進(jìn)行描述,將設(shè)計(jì)過(guò)程分為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)邏輯兩個(gè)維度,其中,現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)維度包含了需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)4個(gè)層級(jí),設(shè)計(jì)邏輯維度包含抽象概念(黑盒視圖)、問(wèn)題描述(灰盒視圖)和解決方案(白盒視圖)3個(gè)層級(jí)。

圖1 基于DoDAF的MBSE建模架構(gòu)Fig.1 MBSE modeling architecture based on DoDAF

表1 各SysML模型描述方式

2 基于DoDAF的MBSE建模方法流程

為了進(jìn)一步明確建模方法的建模工作流,繪制了如圖2所示的基于DoDAF的MBSE建模方法流程,以活動(dòng)圖的形式對(duì)建模流程作了更為詳細(xì)的闡述,用以明確使用該建模方法進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)建模時(shí)的主要建模內(nèi)容以及建模關(guān)鍵。

圖2 基于DoDAF的MBSE建模流程Fig.2 MBSE modeling process based on DoDAF

首先,建立全景視圖的綜述和概要信息模型AV-1,對(duì)民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)的構(gòu)想、目的、規(guī)劃、活動(dòng)、事件、條件、度量、效果等進(jìn)行匯總,建立系統(tǒng)需求概要信息包模型,系統(tǒng)需求概要信息包模型中每個(gè)包視為高度控制系統(tǒng)的一個(gè)層面的信息集合,在各個(gè)包中創(chuàng)建SysML語(yǔ)言定義的需求圖,在需求圖中描述系統(tǒng)整體層面下的構(gòu)想與期望,作為系統(tǒng)研制初期的設(shè)計(jì)方向指引與修改預(yù)案。

通過(guò)建立的全景視圖模型,選取不同飛行場(chǎng)景并對(duì)用例進(jìn)行定義,采用基于場(chǎng)景的用例分析方法,導(dǎo)出用例功能流。通過(guò)分析生成或更新系統(tǒng)需求,并與高度控制系統(tǒng)用例相關(guān)聯(lián),以用例圖的形式描述能力構(gòu)想模型CV-1,描述高度控制系統(tǒng)的期望執(zhí)行功能;根據(jù)用例功能流劃分系統(tǒng)能力歸屬和邏輯關(guān)系,用模塊定義圖建立能力分類模型CV-2和能力依賴關(guān)系模型CV-4。在CV-2中首先明確高度控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)運(yùn)行能力,描述能力構(gòu)想模型CV-1中定義的系統(tǒng)能力的子能力,子能力的撰寫(xiě)依據(jù)為綜述和概要信息模型AV-1中包模型中所定義的利益相關(guān)方需求與從設(shè)計(jì)角度出發(fā)而提出的非功能性要求;在CV-4中基于CV-2撰寫(xiě)出系統(tǒng)子能力之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,如依賴、改善、包含等。

根據(jù)能力構(gòu)想模型CV-1和導(dǎo)出的用例功能流,構(gòu)建頂層活動(dòng)概念圖OV-1,包括高度控制系統(tǒng)的任務(wù)、功能活動(dòng)流與運(yùn)行場(chǎng)景,在OV-1視圖中引用CV-1中建立的反映不同運(yùn)行狀態(tài)的用例場(chǎng)景,繪制用例圖/活動(dòng)圖以描述高度控制系統(tǒng)應(yīng)適用的不同場(chǎng)景與狀態(tài)與其下的系統(tǒng)預(yù)期可執(zhí)行的不同功能活動(dòng)流。

從能力視圖CV出發(fā),定義系統(tǒng)功能,以活動(dòng)圖的形式建立運(yùn)行活動(dòng)分解樹(shù)OV-5a,活動(dòng)圖中以活動(dòng)或動(dòng)作為單元,定義功能執(zhí)行過(guò)程中的各個(gè)功能活動(dòng)或動(dòng)作,同時(shí)可以建立組織關(guān)系圖OV-4,在子系統(tǒng)之間建立依賴或關(guān)聯(lián)的鏈接關(guān)系,完成子系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系梳理。

在分別完成“抽象概念”和“問(wèn)題描述”兩個(gè)設(shè)計(jì)邏輯層的模型建立之后,可以對(duì)建模流程進(jìn)行效率評(píng)估(measurements of system effectiveness, MOE),以決定在設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的最佳選擇。

基于建立的組織關(guān)系圖OV-4,分別以內(nèi)部模塊圖和矩陣表格的形式建立系統(tǒng)接口表述模型SV-1和系統(tǒng)資源流矩陣SV-3,描述各子系統(tǒng)之間的接口類型和資源流交換情況,實(shí)現(xiàn)向解決方案層次的轉(zhuǎn)變。

在建立了系統(tǒng)接口表述模型SV-1和系統(tǒng)資源流矩陣SV-3之后,可根據(jù)此用狀態(tài)機(jī)圖建立活動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換模型OV-6b,用于描述基于高度控制系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài),反映高度控制系統(tǒng)的所有情形下的功能活動(dòng)流程與時(shí)序;以狀態(tài)機(jī)反映高度控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài),以轉(zhuǎn)變連接器及轉(zhuǎn)變連接器的屬性(觸發(fā)、監(jiān)視、影響)建立不同運(yùn)行狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,同時(shí)反映狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的消息流。

根據(jù)系統(tǒng)接口表述模型SV-1和系統(tǒng)資源流矩陣SV-3也可建立參數(shù)層的標(biāo)準(zhǔn)概要模型StdV-1,以參數(shù)圖的形式描述系統(tǒng)在實(shí)際物理建模過(guò)程中可能涉及的參數(shù)數(shù)據(jù)類型、約束等限制條件。

由“問(wèn)題描述”和“解決方案”層導(dǎo)出的需求和能力映射模型CV-6將以需求圖的形式向上層回溯,包含在系統(tǒng)建?；液泻桶缀幸晥D階段生成的更為細(xì)化的需求更新文檔,以更新需求模型,并指導(dǎo)下一次的迭代。

自此,完成了系統(tǒng)工程V模型“需求分析-概要設(shè)計(jì)-詳細(xì)設(shè)計(jì)”的流程,符合系統(tǒng)工程的基本原理,采用層層遞進(jìn)的設(shè)計(jì)方式,并且在建模過(guò)程中建立了規(guī)范性文檔和追溯鏈接關(guān)系,能夠很好地指導(dǎo)民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)這類復(fù)雜系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)工作。

3 民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)建模實(shí)例

根據(jù)上述建模方法,下面將以民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)為例進(jìn)行MBSE建模方法的示范并基于SySML建模語(yǔ)言建立民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)模型實(shí)例,明確相關(guān)模型視圖之間的邏輯關(guān)系。

綜述和概要信息模型AV-1以需求圖的形式進(jìn)行描述,通過(guò)識(shí)別民機(jī)運(yùn)行場(chǎng)景下的工作流,捕獲民機(jī)高度控制系統(tǒng)的利益相關(guān)方需求,如圖3所示。

圖3 綜述和概要信息模型AV-1Fig.3 Overview and summary information model AV-1

根據(jù)綜述和概要信息模型AV-1,將利益相關(guān)方需求和用例關(guān)聯(lián)起來(lái),用圖4的形式描述能力構(gòu)想模型CV-1,

圖4 能力構(gòu)想模型CV-1Fig.4 Capability vision model CV-1

對(duì)于高度控制系統(tǒng),有駕駛員和自動(dòng)駕駛儀兩個(gè)執(zhí)行者,主要用例可以對(duì)應(yīng)到民機(jī)運(yùn)行的6個(gè)主要運(yùn)行場(chǎng)景。在實(shí)際建模過(guò)程中,對(duì)于不同場(chǎng)景,應(yīng)建立若干用例與之相關(guān)聯(lián)。

根據(jù)能力構(gòu)想模型CV-1擴(kuò)展出每一項(xiàng)的能力需求,分解可得到如圖5所示的能力分類模型CV-2。分解得到與高度控制系統(tǒng)相關(guān)的能力主要有高度控制、速度控制、飛行姿態(tài)控制等,下一級(jí)子能力主要有升降舵控制、副翼控制、加減速控制等。

圖5 能力分類模型CV-2Fig.5 Capability taxonomy model CV-2

梳理能力分類模型CV-2,得到能力依賴關(guān)系模型CV-4。如圖6所示,高度保持、擾流板控制、高度增加和高度降低均屬于高度控制的子功能。各子功能之間也存在交互關(guān)系,如高度增加依賴于爬升功能,而爬升功能又驅(qū)動(dòng)襟翼收起功能的實(shí)現(xiàn)。

圖6 能力依賴關(guān)系模型CV-4Fig.6 Capability dependencies relationship model CV-4

高度控制屬于飛機(jī)的重心控制,通常在飛機(jī)的遠(yuǎn)距離巡航階段需要保持其高度穩(wěn)定。理論上可采用控制升降舵或者發(fā)動(dòng)機(jī)推力的方法來(lái)控制飛機(jī)的飛行高度,但是控制發(fā)動(dòng)機(jī)推力上實(shí)際是通過(guò)控制速度來(lái)控制高度,屬于間接控制,效果比較微弱,而且速度控制是另一項(xiàng)主要能力,所以這一部分完全采用升降舵控制來(lái)保持高度穩(wěn)定。通過(guò)操縱升降舵控制飛行高度的高度穩(wěn)定系統(tǒng)以俯仰角控制系統(tǒng)為內(nèi)回路,由高度傳感器測(cè)量高度偏差信號(hào)并輸入到俯仰角控制系統(tǒng),從而改變飛機(jī)的航跡傾斜角,使飛機(jī)回到預(yù)定高度。高度控制的頂層活動(dòng)概念圖OV-1如圖7所示。接下來(lái)給出高度控制的活動(dòng)視圖建模描述,通過(guò)定義高度控制中的各項(xiàng)活動(dòng),梳理其控制流順序或信息傳遞順序建立了運(yùn)行活動(dòng)模型OV-5b,如圖8所示。同時(shí)進(jìn)行了泳道劃分,明確了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的活動(dòng)以及節(jié)點(diǎn)之間的聯(lián)系,便于之后的系統(tǒng)接口定義。為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行視圖中的這些抽象活動(dòng),需要將這些活動(dòng)分配到具體的系統(tǒng)當(dāng)中,用系統(tǒng)功能活動(dòng)代替操作活動(dòng),明確各個(gè)活動(dòng)之間的數(shù)據(jù)流,將其進(jìn)行歸納可以得到系統(tǒng)接口表述模型SV-1,如圖9所示。

圖7 頂層活動(dòng)概念圖OV-1Fig.7 High level operational concept graphic OV-1

圖8 運(yùn)行活動(dòng)模型OV-5bFig.8 Operational activity model OV-5b

圖9 接口表述模型SV-1Fig.9 Interface description model SV-1

至此,基于MBSE建模方法的飛機(jī)高度控制系統(tǒng)的主要視圖建模已經(jīng)基本完成,得到了能力構(gòu)想模型、活動(dòng)模型以及系統(tǒng)接口模型等,用于支持高度控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于本文篇幅有限,并未給出全面的模型視圖,在實(shí)際設(shè)計(jì)中需要對(duì)所有子系統(tǒng),按照建模方法中規(guī)范化的建模流程對(duì)所有涉及的功能進(jìn)行建模,并將其整合成一個(gè)完整的飛機(jī)系統(tǒng)級(jí)模型庫(kù),這些模型還可用于其他相似系統(tǒng)的建模工作當(dāng)中。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)民用飛機(jī)高度控制系統(tǒng)在傳統(tǒng)研制過(guò)程中出現(xiàn)的自然語(yǔ)言理解二義性、需求和功能之間追溯關(guān)系不明確等一系列問(wèn)題,提出了基于DoDAF的MBSE建模方法。該方法使用SysML建立模型,以模型的方式傳遞可視化、可追溯、易理解的工程信息,通過(guò)DoDAF的多視圖對(duì)飛機(jī)能力要求進(jìn)行分析與細(xì)化,逐步遞推,最終得到各個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)視圖,能夠更加準(zhǔn)確細(xì)致地描述飛機(jī)研制要求。該建模方法提出的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)維度和設(shè)計(jì)邏輯維度,深入剖析了在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的從需求到行為,再到結(jié)構(gòu)和參數(shù)的現(xiàn)實(shí)關(guān)系,并且將設(shè)計(jì)由黑盒逐漸解白的過(guò)程很好地體現(xiàn)了出來(lái),并且在設(shè)計(jì)邏輯層的每一層都能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)過(guò)程中生成的文件信息向上回溯,不斷更新先前建立的模型文件并指導(dǎo)下一輪迭代。該建模方法建立的模型之間還建立了對(duì)不同層級(jí)的能力之間的可追溯性鏈接,使得每一條研制要求都與初始能力要求相對(duì)應(yīng),保證了設(shè)計(jì)與需求的一致性。同時(shí)建模流程的規(guī)范化,為研究人員提供了思路清晰的研制流程,減少了研制過(guò)程中由于經(jīng)驗(yàn)不足而產(chǎn)生的重復(fù)工作。

本文采用該建模方法針對(duì)高度控制系統(tǒng)建立模型,詳細(xì)給出該系統(tǒng)的各階段模型的數(shù)據(jù)接口信息與資源流信息。在實(shí)踐過(guò)程中該方法體現(xiàn)出諸多優(yōu)點(diǎn):

(1) 將設(shè)計(jì)過(guò)程劃分為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)層和設(shè)計(jì)邏輯層兩個(gè)維度,共計(jì)10個(gè)設(shè)計(jì)流程模塊,對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程更為清晰,降低了研制的復(fù)雜程度;

(2) 借助DoDAF和SysML,從多個(gè)角度,以不同于傳統(tǒng)自然語(yǔ)言的圖形化建模語(yǔ)言建立模型,提高了模型的可理解性,便于開(kāi)發(fā)者和利益相關(guān)方之間的信息交流;

(3) 通過(guò)該方法建立的模型具有可重用性,可方便后續(xù)類似設(shè)計(jì)的需求文檔的開(kāi)發(fā),并且模型的一致性和完整性保證了需求文檔的一致性和完整性。

因此,本文提出的基于DoDAF的MBSE建模方法相較于傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程建模方法有明顯優(yōu)勢(shì),在高度控制系統(tǒng)建模實(shí)例中初步顯現(xiàn)。該建模方法能夠很好地契合未來(lái)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求,適合民機(jī)系統(tǒng)的研制,具有大好的發(fā)展前景。