面向SysML的雷達(dá)系統(tǒng)模型通用框架構(gòu)建與實(shí)踐

李源 趙媛媛 張然 魯揚(yáng)

（北京無(wú)線電測(cè)量研究所， 北京， 100854）

引言

MBSE 是一種采用統(tǒng)一模型語(yǔ)言描述系統(tǒng)的要求和架構(gòu)， 以支持產(chǎn)品生命周期系統(tǒng)工程跨多學(xué)科實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法[1]。 系統(tǒng)架構(gòu)作為系統(tǒng)特性的描述維度， 定義一個(gè)待開發(fā)或已開發(fā)系統(tǒng)及其各組成部分的需求、 結(jié)構(gòu)、 行為、 參數(shù)等特性及其相互靜態(tài)、 動(dòng)態(tài)關(guān)系， 用于描述系統(tǒng)及其組成部分如何集成和相互影響， 共同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)任務(wù)， 闡明系統(tǒng)的要求、 使用方案和技術(shù)方案。

MBSE 技術(shù)主要通過(guò)SysML[2]實(shí)現(xiàn)， 它是基于統(tǒng)一建模語(yǔ)言 （Unified Modeling Language，UML） 擴(kuò)展形成的一種面向?qū)ο蟮膱D形化建模語(yǔ)言， 可通過(guò)視圖、 表格和矩陣及其語(yǔ)義元素構(gòu)建模型。 通常描述的對(duì)象包括系統(tǒng)、 組成部分、 運(yùn)行環(huán)境， 可以一直細(xì)分到所需要的層次。 例如， 可從雷達(dá)的使用場(chǎng)景開始， 逐級(jí)構(gòu)建系統(tǒng)級(jí)、 分系統(tǒng)級(jí)、設(shè)備級(jí)產(chǎn)品乃至組件模塊的模型， 并將它們關(guān)聯(lián)集成在一起。 一般雷達(dá)系統(tǒng)模型的SysML 視圖總量可達(dá)到上千張， 模型元素總數(shù)高達(dá)幾十萬(wàn)個(gè)。 面對(duì)如此龐大的建模工作量， 如何幫助不同建模人員在統(tǒng)一的范式和標(biāo)準(zhǔn)下， 對(duì)各層級(jí)系統(tǒng)的模型進(jìn)行快速協(xié)同設(shè)計(jì)， 大幅度提高建模效率是系統(tǒng)建模過(guò)程中重要的一步， 也是規(guī)范建模成果的關(guān)鍵一環(huán)。

在MBSE 模式下， 雷達(dá)系統(tǒng)基于SysML 的各層級(jí)、 各類型系統(tǒng)需求定義與架構(gòu)定義的過(guò)程主要包括： ①對(duì)模型重用庫(kù)的選用和導(dǎo)入。 ②在此基礎(chǔ)上通過(guò)對(duì)庫(kù)元素特征化和補(bǔ)充自建元素來(lái)建立雷達(dá)系統(tǒng)模型。 ③結(jié)合雷達(dá)系統(tǒng)MBSE 的實(shí)施推廣經(jīng)驗(yàn)， 不斷加以修正、 優(yōu)化、 完善， 逐步形成面向SysML 的雷達(dá)系統(tǒng)模型通用框架。

1 SysML 模型

SysML 模型主要側(cè)重于描述雷達(dá)系統(tǒng)的需求維度和功能邏輯維度， 包括系統(tǒng)及其組成部分的要求、 使用方案以及運(yùn)行環(huán)境等。 其主要作用是闡明、 模擬和追蹤復(fù)雜系統(tǒng)及其組成部分是如何聯(lián)合、 交互工作的， 以逐級(jí)滿足其頂層需求。SysML 模型按內(nèi)容與用途分為需求、 行為、 架構(gòu)、 仿真等4 類模型。

1.1 需求模型

需求模型是系統(tǒng)架構(gòu)、 驗(yàn)證與確認(rèn)的基礎(chǔ)和依據(jù)。 需求一般可分為利益攸關(guān)者需求和系統(tǒng)需求，以表格的形式存儲(chǔ)在建模工具中， 用于增強(qiáng)設(shè)計(jì)師對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)所需功能、 性能及結(jié)構(gòu)的理解， 增進(jìn)與利益攸關(guān)者之間的交流， 減少可能的誤解和理解偏差。 同時(shí)， 利益攸關(guān)者需求和系統(tǒng)需求以派生矩陣的形式進(jìn)行關(guān)聯(lián)追溯， 一旦利益攸關(guān)者需求發(fā)生變化， 可以利用建模工具有效地進(jìn)行變更影響域分析， 及時(shí)對(duì)系統(tǒng)需求和后續(xù)設(shè)計(jì)做出改變或調(diào)整，從而降低對(duì)項(xiàng)目成本和進(jìn)度的影響。

1.2 行為模型

SysML 通過(guò)用例圖、 狀態(tài)機(jī)圖、 活動(dòng)圖、 順序圖、 參數(shù)圖等來(lái)描述系統(tǒng)及其組成部分的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)行為， 它們的側(cè)重點(diǎn)各不相同， 但都用于表達(dá)系統(tǒng)的功能。 “用例圖” 通過(guò)描述利益攸關(guān)者和系統(tǒng)自身的相互作用， 定義系統(tǒng)的頂層服務(wù)；“狀態(tài)機(jī)圖” 主要描述系統(tǒng)在響應(yīng)特定事件時(shí)狀態(tài)之間發(fā)生的轉(zhuǎn)換關(guān)系； “活動(dòng)圖” 描述系統(tǒng)行為動(dòng)作的控制流程， 關(guān)注事件、 能量和數(shù)據(jù)在這些動(dòng)作中的流動(dòng)， 類似于傳統(tǒng)的流程圖； “順序圖”主要描述系統(tǒng)是如何與其他系統(tǒng)進(jìn)行交互操作和信號(hào)傳遞； “參數(shù)圖” 主要描述系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，采用等式或不等式約束關(guān)系， 支持性能仿真分析。

1.3 架構(gòu)模型

架構(gòu)模型主要用于描述系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)、 物理架構(gòu)及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的接口關(guān)系。 SysML 提供了2種圖 （模塊定義圖和內(nèi)部模塊圖） 來(lái)描述系統(tǒng)的組成關(guān)系。 “模塊定義圖” 用來(lái)描述系統(tǒng)和系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)元素之間的組成關(guān)系， 但不會(huì)顯示內(nèi)部的連接關(guān)系； “內(nèi)部模塊圖” 用來(lái)描述系統(tǒng)內(nèi)部組成部分之間的關(guān)系和它們之間的接口。

1.4 仿真模型

建模工具可以將其他格式的模型、 數(shù)據(jù)和程序統(tǒng)一集成封裝到SysML 仿真模型中， 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析， 用于系統(tǒng)的測(cè)試、 分析、 優(yōu)化和評(píng)估。 另外， 仿真模型中的虛擬交互界面可以讓利益攸關(guān)者模擬操作復(fù)雜裝備， 展現(xiàn)不同場(chǎng)景下系統(tǒng)的工作流程， 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的早期驗(yàn)證。 常用仿真模型包括三維結(jié)構(gòu)模型、 定量分析模型、 故障樹分析模型等。

2 模型重用庫(kù)

面向SysML 的模型重用庫(kù)是針對(duì)具體專業(yè)領(lǐng)域的需要構(gòu)建的、 用于共享重用的SysML 模型庫(kù)。 雷達(dá)系統(tǒng)及其組成部分通常具有已知或潛在的三化用途， 需求和架構(gòu)在不同項(xiàng)目之間通常具有較大比例的繼承性， 因此構(gòu)建的SysML 模型一般都有較大可能轉(zhuǎn)化到模型重用庫(kù)中使用。

模型重用庫(kù)的作用是將標(biāo)準(zhǔn)／規(guī)范、 貨架產(chǎn)品以及經(jīng)一定范圍認(rèn)可的知識(shí)和技術(shù)等通過(guò)構(gòu)建為重用庫(kù)而加強(qiáng)推廣應(yīng)用或貫標(biāo)實(shí)施， 減少重復(fù)要素在不同模型中表達(dá)的差異性和可能出錯(cuò)的概率， 統(tǒng)一具體專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)部或協(xié)作方之間模型表達(dá)的技術(shù)共識(shí)。

2.1 按內(nèi)容用途分類

模型重用庫(kù)依據(jù)正交性、 實(shí)用性、 可拓展性等原則， 按內(nèi)容用途劃分為術(shù)語(yǔ)概念庫(kù)、 通用行為庫(kù)、 變量單位庫(kù)、 算法約束庫(kù)、 通用實(shí)體庫(kù)等， 常見的模型重用庫(kù)見表1。

表1 常見的模型重用庫(kù)

2.2 構(gòu)建方法

為了有效簡(jiǎn)化建模工作、 復(fù)用概念知識(shí)、 加強(qiáng)三化設(shè)計(jì)， 按照模型重用庫(kù)的分類原則， 將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)通用的和經(jīng)常重復(fù)使用的模型元素封裝集成， 以雷達(dá)專業(yè)領(lǐng)域?yàn)槔?其模型重用庫(kù)如圖1所示。

圖1 雷達(dá)系統(tǒng)模型重用庫(kù)示意圖

圖1 中， 同一類型、 領(lǐng)域或主題的模型重用庫(kù)， 可采用并列或多級(jí)包的形式構(gòu)建在一個(gè)庫(kù)文件中， 并通過(guò)構(gòu)建多級(jí)庫(kù)文件使其集成在一起形成雷達(dá)系統(tǒng)模型重用庫(kù)。 為了避免單個(gè)庫(kù)文件過(guò)大， 重用庫(kù)的分支庫(kù)可按照模型元素的類型進(jìn)行第一步劃分。 例如， 通用接口庫(kù)可劃分為3 個(gè)分支庫(kù)： 邏輯接口、 物理接口、 常用信號(hào)， 下一層級(jí)再按照模型元素的內(nèi)容進(jìn)行第二次劃分。 例如， 邏輯接口分支庫(kù)可劃分為用于供電、 通訊交互等的接口， 有助于建模人員進(jìn)行快速查找和檢索， 也便于后續(xù)重用庫(kù)的擴(kuò)展。 建模人員可根據(jù)新建模型元素的類型或內(nèi)容依次對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)充，該模型重用庫(kù)的構(gòu)建方法同樣適用于其他專業(yè)領(lǐng)域。

3 模型通用框架

雷達(dá)系統(tǒng)模型一般按方法論中的需求分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、 仿真驗(yàn)證等流程進(jìn)行逐級(jí)構(gòu)建， 但由于模型種類較多， 涉及不同系統(tǒng)、 不同系統(tǒng)層級(jí)的人員協(xié)同構(gòu)建， 因此， 在所有模型構(gòu)建前應(yīng)先形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)／規(guī)范的模型通用框架， 在后續(xù)協(xié)同構(gòu)建和迭代過(guò)程中， 可在模型重用庫(kù)的基礎(chǔ)上，按照統(tǒng)一的范式對(duì)模型的不同部分進(jìn)行分別細(xì)化和創(chuàng)建， 實(shí)現(xiàn)多個(gè)模型向一個(gè)模型集成。

3.1 構(gòu)建原則

模型通用框架應(yīng)按照完整性、 協(xié)同性和最大化原則進(jìn)行構(gòu)建， 能夠覆蓋方法論中的需求分析、 架構(gòu)設(shè)計(jì)、 仿真驗(yàn)證等多個(gè)流程， 支持不同組織和建模人員對(duì)系統(tǒng)模型的快速協(xié)同設(shè)計(jì)， 同時(shí)兼容不同系統(tǒng)及系統(tǒng)層級(jí)人員的建模需求。

a） 完整性原則

模型按系統(tǒng)層級(jí)分類， 可分為系統(tǒng)級(jí)、 分系統(tǒng)級(jí)、 設(shè)備級(jí)等產(chǎn)品模型。 產(chǎn)品模型一般按照“利益攸關(guān)者需求分析—系統(tǒng)需求與功能分析—系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)—系統(tǒng)需求與架構(gòu)仿真驗(yàn)證—系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)” 的流程順序進(jìn)行模型構(gòu)建。模型通用框架應(yīng)對(duì)系統(tǒng)所有層級(jí)產(chǎn)品執(zhí)行各流程活動(dòng)時(shí)所構(gòu)建的模型進(jìn)行全覆蓋， 確保模型的完整性。

b） 協(xié)同性原則

針對(duì)同一系統(tǒng)的模型元素一般應(yīng)在該系統(tǒng)所屬的包中建模。 該系統(tǒng)所屬的分系統(tǒng)級(jí)、 設(shè)備級(jí)等產(chǎn)品模型應(yīng)以多級(jí)包的形式存儲(chǔ)在系統(tǒng)模型所屬的包中， 而同一層級(jí)的產(chǎn)品模型因?yàn)橛刹煌M織和建模人員負(fù)責(zé)， 應(yīng)以并列包的形式區(qū)分存儲(chǔ)在系統(tǒng)模型所屬的包中， 便于不同建模人員協(xié)同構(gòu)建。

c） 最大化原則

模型通用框架以最大化原則覆蓋系統(tǒng)需求分析和架構(gòu)定義過(guò)程的全部模型成果， 不同系統(tǒng)層級(jí)人員可根據(jù)自身專業(yè)研制特點(diǎn)， 對(duì)系統(tǒng)流程活動(dòng)所輸出的模型成果進(jìn)行部分剪裁。

3.2 構(gòu)建方法

模型通用框架的構(gòu)建有助于在模型重用庫(kù)的基礎(chǔ)上， 通過(guò)對(duì)庫(kù)元素特征化和補(bǔ)充自建元素進(jìn)行協(xié)同構(gòu)建， 著重于模型整體結(jié)構(gòu)的形成， 規(guī)范每部分構(gòu)成的模型成果。 面向SysML 的雷達(dá)系統(tǒng)模型通用框架主要分為兩大部分， 一部分為雷達(dá)系統(tǒng)模型重用庫(kù)， 另一部分為基于重用庫(kù)建設(shè)的雷達(dá)系統(tǒng)需求和架構(gòu)模型， 如圖2 所示。

圖2 雷達(dá)系統(tǒng)模型通用框架示意圖

雷達(dá)系統(tǒng)模型重用庫(kù)依據(jù)不同專業(yè)領(lǐng)域可劃分為雷達(dá)、 天線、 伺服等專用的模型重用庫(kù)， 各專業(yè)領(lǐng)域模型庫(kù)可根據(jù)自身專業(yè)特點(diǎn)分別建立術(shù)語(yǔ)概念、 算法約束、 行為、 接口、 實(shí)體等通用模型庫(kù)， 有助于不同設(shè)計(jì)師在建模時(shí)采用一致的范式， 也便于模型元素的集中管理和分類檢索。

雷達(dá)系統(tǒng)需求和架構(gòu)模型重點(diǎn)覆蓋的是產(chǎn)品生命周期中的系統(tǒng)立項(xiàng)論證階段和方案設(shè)計(jì)階段， 按流程活動(dòng)劃分， 主要包括5 個(gè)部分的模型要素： 利益攸關(guān)者需求分析、 系統(tǒng)需求與功能分析、 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)、 系統(tǒng)需求與架構(gòu)仿真驗(yàn)證、 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)。 各層級(jí)產(chǎn)品模型可同樣按照這5 個(gè)流程依次構(gòu)建， 內(nèi)容較為簡(jiǎn)單的產(chǎn)品模型可根據(jù)研制特點(diǎn)剪裁部分模型要素。

a） 利益攸關(guān)者需求分析

利益攸關(guān)者需求分析模型由 “利益攸關(guān)者”“場(chǎng)景分析” “任務(wù)剖面” “運(yùn)行環(huán)境” 和 “利益攸關(guān)者需求” 組成。 其中， “利益攸關(guān)者” 中定義影響雷達(dá)活動(dòng)或結(jié)果的系統(tǒng)、 人員或組織；“場(chǎng)景分析” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)在正常／異常工況下的工作時(shí)序； “任務(wù)剖面” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系、 功能邏輯行為和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)；“運(yùn)行環(huán)境” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)與外部系統(tǒng)或人員的接口交互關(guān)系； “利益攸關(guān)者需求” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)的條目化的利益攸關(guān)者需求。

b） 系統(tǒng)需求與功能分析

系統(tǒng)需求與功能分析模型由 “用例分析”“系統(tǒng)需求” “需求追溯” 組成。 其中， “用例分析” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)提供的頂層服務(wù)， 采用活動(dòng)圖細(xì)化用例， 定義系統(tǒng)功能； “系統(tǒng)需求” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)的條目化系統(tǒng)需求； “需求追溯”中定義雷達(dá)系統(tǒng)用例與利益攸關(guān)者需求的滿足關(guān)系、 利益攸關(guān)者需求與系統(tǒng)需求的派生關(guān)系。

c） 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)模型由“邏輯視圖” “邏輯實(shí)體” “指標(biāo)權(quán)衡分析” 組成。 其中， “邏輯視圖” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)的功能架構(gòu)圖、 邏輯架構(gòu)圖、內(nèi)部邏輯接口關(guān)系圖和技術(shù)指標(biāo)分解參數(shù)圖； “邏輯實(shí)體” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)各邏輯組成部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系、 功能邏輯行為和技術(shù)指標(biāo)； “指標(biāo)權(quán)衡分析” 中通過(guò)實(shí)例表比較判斷不同方案之間的技術(shù)指標(biāo)是否滿足要求， 并進(jìn)行權(quán)衡分析獲得最佳方案。

d） 系統(tǒng)需求與架構(gòu)仿真驗(yàn)證

系統(tǒng)需求與架構(gòu)仿真驗(yàn)證模型由 “仿真架構(gòu)” “仿真界面” “仿真實(shí)例” 組成。 其中，“仿真架構(gòu)” 中根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)描述模型邏輯架構(gòu)，融合專業(yè)領(lǐng)域模型， 再次定義雷達(dá)系統(tǒng)的仿真型邏輯架構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)變量的查詢、 改變、 添加等操作， 用于需求與架構(gòu)的仿真驗(yàn)證； “仿真界面” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)的仿真界面和仿真工作過(guò)程， 輔助仿真型邏輯架構(gòu)實(shí)現(xiàn)面板顯示、 人機(jī)操控、 故障模擬等功能； “仿真實(shí)例” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)及其邏輯組成部分的變量初值。

e） 系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)物理架構(gòu)設(shè)計(jì)模型主要由 “物理視圖”“物理實(shí)體” “指標(biāo)權(quán)衡分析” 組成。 其中， “物理視圖” 中定義雷達(dá)系統(tǒng)的物理架構(gòu)圖、 內(nèi)部物理接口關(guān)系圖， 并將邏輯架構(gòu)映射到物理架構(gòu)； “物理實(shí)體” 中包括雷達(dá)系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)階段定義的新研產(chǎn)品以及所選用的三化產(chǎn)品、 通用件、 外購(gòu)件等系列化的產(chǎn)品模型； “指標(biāo)權(quán)衡分析” 中通過(guò)實(shí)例表比較不同技術(shù)方案之間的技術(shù)指標(biāo)、 成本、 研制周期等因素是否滿足要求， 進(jìn)行權(quán)衡分析獲得最佳技術(shù)方案。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著模型驅(qū)動(dòng)的新型研發(fā)模式在越來(lái)越多雷達(dá)系統(tǒng)上的推廣應(yīng)用， 航天標(biāo)準(zhǔn)化作為航天 “軟實(shí)力” 的重要組成部分， 是固化技術(shù)、 形成優(yōu)勢(shì)、 降本增效的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 為提高雷達(dá)系統(tǒng)模型的完整性、 協(xié)同性和規(guī)范性， 減少重復(fù)要素在不同模型中表達(dá)的差異性和可能出錯(cuò)的概率， 開展雷達(dá)系統(tǒng)模型重用庫(kù)的規(guī)劃和建設(shè)， 運(yùn)用模型通用框架的構(gòu)建原則和方法， 構(gòu)建模型通用框架，在提高雷達(dá)系統(tǒng)的建模效率， 增強(qiáng)數(shù)字模型的完整性、 協(xié)同性和規(guī)范性， 減少重復(fù)要素在不同模型中表達(dá)的差異性和可能出錯(cuò)的概率的同時(shí)， 為雷達(dá)系統(tǒng)MBSE 標(biāo)準(zhǔn)化的實(shí)施落地提供參考。