基于模型的載人航天工程需求分析方法

彭祺擘, 張海聯(lián)

(1. 中國航天員科研訓(xùn)練中心, 北京 100094; 2. 中國載人航天工程辦公室, 北京 100071)

0 引 言

載人航天任務(wù)規(guī)模龐大、實施周期長、任務(wù)風(fēng)險高,其實施需經(jīng)歷需求分析、系統(tǒng)設(shè)計、制造總裝、測試試驗、發(fā)射保障以及運行支持等多個階段,且涉及總體、系統(tǒng)、分系統(tǒng)、單機等多個層次,信息交互量巨大,是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此,探索形成高效的設(shè)計方法和規(guī)范化的設(shè)計流程,對提升設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量、降低設(shè)計成本、縮短任務(wù)周期至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程主要依賴于文本開展迭代設(shè)計,設(shè)計過程中的指標(biāo)、分析、方案等均使用文字和圖表來描述,從而導(dǎo)致工程文檔繁多,設(shè)計狀態(tài)變更和迭代流程長、環(huán)節(jié)多,且對于文字描述不同設(shè)計人員的理解不同,復(fù)用性較差。特別是在空間站、載人登月、載人登火、載人小行星探測等龐大而復(fù)雜的載人航天工程中,傳統(tǒng)的設(shè)計方法效率低、風(fēng)險大,更加難以適應(yīng)工程需求。

隨著面向?qū)ο蟆⒔Y(jié)構(gòu)化、圖形化、可視化的系統(tǒng)建模語言(system modeling language, SysML)的發(fā)展,一種基于模型的系統(tǒng)工程(model-based systems engineering, MBSE)方法逐漸得到了廣泛應(yīng)用。該方法使用表述規(guī)范、關(guān)聯(lián)緊密、邏輯一致的系統(tǒng)模型來描述系統(tǒng)工程的分析思路與結(jié)論,在設(shè)計過程中利用模型代替了傳統(tǒng)的文本來傳遞設(shè)計信息,從而實現(xiàn)了基于模型驅(qū)動的數(shù)字化研制流程再造,避免了信息傳遞的二義性,改變了嚴重依賴文本、經(jīng)驗的粗放管理模式,能夠大幅提升復(fù)雜工程的總體設(shè)計能力和設(shè)計效率。

該方法在國內(nèi)航空領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,但在航天特別是載人航天領(lǐng)域,尚處于起步階段,近幾年部分學(xué)者開展了一定程度的研究。張有山等[1]研究了MBSE方法在載人飛船交會對接任務(wù)中的應(yīng)用流程。張柏楠等[2]對基于MBSE的載人航天器研制方法研究與實踐進行了綜述,提出了應(yīng)用于載人航天全生命周期的6類模型。何巍等[3]對基于模型的運載火箭總體設(shè)計框架和設(shè)計方法進行了研究。盧志昂等[4]提出了基于模型的衛(wèi)星總體設(shè)計方法與流程。于國斌[5]研究了基于MBSE方法開展深空探測任務(wù)協(xié)同的方法與框架,提出了支持深空探測任務(wù)協(xié)同的“4個閉環(huán)迭代”流程方法。焦洪臣等[6]提出了基于模型的航天器研制流程和適應(yīng)航天器研制過程需要的6類模型體系。黃冉等[7]將美國國防部體系框架(department of defense architecture framewor, DoDAF)引入設(shè)計,提出了適用于載人月球探測工程的總體設(shè)計流程和方法。除此之外,文獻[8-9]也對基于模型的飛行器研制進行了系統(tǒng)的探索。這些研究為利用MBSE方法開展載人航天任務(wù)設(shè)計提供了豐富的經(jīng)驗。

載人航天工程一直以來都采用了系統(tǒng)工程的思想。近年來,隨著數(shù)字化工作的推進,模型在研制過程中發(fā)揮了更加重要的作用,但在任務(wù)前端的需求層面,仍以文檔的形式傳遞。本文結(jié)合載人航天工程的特點,提出了工程總體和各系統(tǒng)基于模型開展載人航天任務(wù)需求分析的初步工作方法和流程,目的是在任務(wù)方案論證與方案設(shè)計階段,通過規(guī)范基于模型的需求分析與系統(tǒng)設(shè)計工作,確保需求覆蓋全面、設(shè)計嚴密精準、建模質(zhì)量可控,為后續(xù)開發(fā)覆蓋全任務(wù)周期的數(shù)字化設(shè)計和技術(shù)管理流程奠定基礎(chǔ)。

1 MBSE方法概述

國際系統(tǒng)工程協(xié)會(International Council on Systems Engineering, INCOSE)定義,MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用,用于支持系統(tǒng)從概念設(shè)計階段一直持續(xù)到開發(fā)階段和后續(xù)生命周期階段的需求、設(shè)計、分析、驗證和確認活動,并將整個任務(wù)周期分為了業(yè)務(wù)或任務(wù)分析、利益攸關(guān)者需求定義、系統(tǒng)需求定義、架構(gòu)定義、設(shè)計定義、系統(tǒng)分析、實施、綜合、驗證、轉(zhuǎn)移、確認、運行、維護、處置等14個流程[10]。INCOSE提出了一個普遍的操作流程,實際執(zhí)行過程中,各行業(yè)一般會結(jié)合自身任務(wù)特點,進行裁剪或修改使用,形成更高效的方法論。例如,針對某生物分析設(shè)備的研發(fā),文獻[11]提出了問題定義、上下文定義、技術(shù)需求定義、邏輯層定義、物理層定義的步驟。針對飛行控制系統(tǒng)的研制,文獻[12]提出了運營分析、系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)設(shè)計、物理架構(gòu)設(shè)計的步驟。文獻[13-15]針對可靠性領(lǐng)域,提出了與正常系統(tǒng)設(shè)計并行的MBSE方法論。類似結(jié)合領(lǐng)域特點,改進MBSE方法論進行研制的案例還有很多,可參見文獻[16-20]。

MBSE方法從始至終實際都是在迭代需求和實現(xiàn)需求,因此在開始階段進行的需求分析至關(guān)重要。雖然后續(xù)隨著設(shè)計的深入,需求在不斷變更,但設(shè)計初期梳理提出需求,是決定整個任務(wù)基本方案最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。

INCOSE將這一過程分解為業(yè)務(wù)或任務(wù)分析、利益攸關(guān)者需求定義、系統(tǒng)需求定義等步驟,與之類似,達索的MagicGraid方法論將需求分析放在問題域中,逐層捕獲[21]。這一過程在火災(zāi)衛(wèi)星和立方衛(wèi)星的設(shè)計中均有體現(xiàn)[22-23]。其給出的方法和過程雖然具有普適性,但與載人航天工程結(jié)合并不緊密。載人航天工程涉及多個復(fù)雜系統(tǒng),其需求分析是從頂端的任務(wù)層出發(fā),需要得到與各系統(tǒng)相關(guān)的需求模型。本文重點是在通用流程的基礎(chǔ)上,結(jié)合載人航天工程特點,提出更加適合于工程的專屬需求分析方法。與已有方法論不同的是,本文從任務(wù)、能力、系統(tǒng)3個維度進行需求分析,更能有效對頂層需求進行分解,指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計。

2 術(shù)語定義

為更好地描述需求分析的方法,首先進行如下術(shù)語的定義。

2.1 基本概念

(1) 利益攸關(guān)方

在一項任務(wù)或一個系統(tǒng)中有權(quán)力、份額,或者要求滿足其需要或期望的一方。

(2) 場景

系統(tǒng)、產(chǎn)品的預(yù)期使用范圍和預(yù)期運行環(huán)境,以及與其相關(guān)系統(tǒng)或產(chǎn)品之間的交互關(guān)系。在載人航天飛行方案中明確的某個任務(wù)剖面或任務(wù)階段即為一個獨立的場景。

(3) 系統(tǒng)

為達到任務(wù)中一個或多個目標(biāo)而組織起來的、相互作用的元素的組合體。

2.2 需求

標(biāo)識一個產(chǎn)品或系統(tǒng)的運行、功能、性能、設(shè)計特性或約束的一種陳述,該陳述必須是明確的、可測試的或可測量的。本文將載人航天的需求分為3類,分別為任務(wù)需求、能力需求和系統(tǒng)需求,以美國阿波羅載人登月任務(wù)為例。

(1) 任務(wù)需求

實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)和滿足各級利益攸關(guān)方的頂層需求,常使用自然語言描述。例如:某年前實現(xiàn)載人登月、有多位航天員著陸月球表面、月面停留時間不少于多少天等。

(2) 能力需求

為實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)和滿足任務(wù)需求需要具備的能力,通過全任務(wù)過程場景設(shè)計、并經(jīng)權(quán)衡分析后推導(dǎo)派生得出,常使用自然語言描述。例如:載人運載火箭具備將載人飛船送入預(yù)定地月轉(zhuǎn)移軌道的能力、載人飛船具備地月轉(zhuǎn)移和月地轉(zhuǎn)移的能力等。

(3) 系統(tǒng)需求

為滿足任務(wù)需求和能力需求,通過開展詳細系統(tǒng)設(shè)計,導(dǎo)出的系統(tǒng)功能、性能、接口等派生需求,常使用自然語言和定量化指標(biāo)描述。例如:火箭地月轉(zhuǎn)移軌道運載能力要求、航天員人均活動空間的要求等。

2.3 模型

在開展需求分析過程中,定義如下四類模型。

(1) 需求模型

描述需求內(nèi)容和支持需求管理的模型,包括條目化的需求數(shù)據(jù)庫、需求圖、需求追溯矩陣,建模方法采用SysML建模。

(2) 功能模型

描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為、功能性能與設(shè)計約束特性的模型,包含支持系統(tǒng)任務(wù)邏輯流程仿真的邏輯模型和支持系統(tǒng)功能性能多學(xué)科綜合仿真的物理模型,建模方法包括基于SysML的架構(gòu)、行為和系統(tǒng)參數(shù)分析建模,以及基于C、Matlab、Modelica等語言的多學(xué)科建模。

(3) 產(chǎn)品模型

描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)機構(gòu)、電氣系統(tǒng)和軟件詳細設(shè)計的模型,建模方法以三維計算機輔助設(shè)計技術(shù)、電子設(shè)計自動化技術(shù)等為主。

(4) 工程模型

描述產(chǎn)品專業(yè)特性,用于工程專業(yè)分析和仿真的詳細模型,建模方法一般采用專業(yè)計算機輔助工程等軟件建模。

3 需求分析流程

工程總體和系統(tǒng)總體基于MBSE的需求分析流程分為任務(wù)需求建模、能力需求建模、系統(tǒng)架構(gòu)建模、系統(tǒng)需求建模、仿真分析與驗證、需求發(fā)布6個基本步驟,如圖1所示。建模過程中,各系統(tǒng)可結(jié)合自身實際,對該流程裁剪或作適應(yīng)性修改后使用,分系統(tǒng)結(jié)合系統(tǒng)總體要求可參照該流程執(zhí)行,建模過程使用SysML[24]。

圖1 載人航天需求分析與系統(tǒng)設(shè)計流程

3.1 任務(wù)需求建模

(1) 目的

全面收集并記錄任務(wù)實施中各利益攸關(guān)方的需要和期望,并將任務(wù)目標(biāo)及相關(guān)需要轉(zhuǎn)化為明確、可標(biāo)識的任務(wù)需求模型元素,以便后續(xù)任務(wù)分析、系統(tǒng)設(shè)計過程中快速查詢、提取和追溯。

(2) 輸入

頂層下達任務(wù)(通常為文本或正式場合下提出的和任務(wù)相關(guān)的指示要求)。

(3) 輸出

任務(wù)需求模型(包括任務(wù)目標(biāo)、利益攸關(guān)方需求、任務(wù)背景或運營環(huán)境條件等)。

(4) 建模步驟

建模過程分為5個步驟,如圖2所示。

圖2 任務(wù)需求分析與建模流程

步驟 1任務(wù)需求模型組織:建立“任務(wù)需求”包結(jié)構(gòu)。

步驟 2識別利益攸關(guān)方:以上級下達的任務(wù)目標(biāo)為輸入,識別系統(tǒng)邊界和外部參與者,使用用例(use case, uc)圖呈現(xiàn)任務(wù)涉及的利益攸關(guān)方,用actor元素表示具體利益攸關(guān)方,用generalization元素構(gòu)建利益攸關(guān)方之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

步驟 3提取利益攸關(guān)方需求:根據(jù)已識別的利益攸關(guān)方需要、期望和能夠明確的約束條件形成條目化任務(wù)需求,并使用requirement元素承載,這些requirement元素均應(yīng)集中指向任務(wù)的目標(biāo)或與實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)直接相關(guān)的行為,使用dependency關(guān)系建立利益攸關(guān)方與任務(wù)需求的關(guān)聯(lián)。

步驟 4構(gòu)建任務(wù)背景或運行環(huán)境:建立模塊定義圖(block definition diagram, BDD),用block元素抽象可能的任務(wù)運行環(huán)境或背景,并將可識別的運行環(huán)境條件(如自然環(huán)境、已有的技術(shù)條件、管理體系和可用的資源等)添加為任務(wù)背景block的組成部分(block元素和directed composition元素),為后續(xù)開展系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計或系統(tǒng)需求分析提供需求分配對象和追溯源頭。

步驟 5任務(wù)需求復(fù)核:對建立的任務(wù)需求模型、任務(wù)背景或運行環(huán)境進行復(fù)核,如出現(xiàn)不明確的、缺失的任務(wù)需求或約束,應(yīng)重復(fù)步驟2～步驟4,直至任務(wù)需求、任務(wù)背景及其描述通過審核。

3.2 能力需求建模

(1) 目的

通過開展覆蓋全任務(wù)周期的運行場景分析,推導(dǎo)出為實現(xiàn)任務(wù)目標(biāo)和滿足任務(wù)需求所需具備的能力,并將能力轉(zhuǎn)化為明確可標(biāo)識的能力需求模型元素,以便后續(xù)系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計和驗證過程中快速查詢、提取和追溯。

(2) 輸入

任務(wù)需求模型。

(3) 輸出

能力需求模型(為滿足任務(wù)要求應(yīng)具備的能力,形成條目化能力需求)、任務(wù)場景(任務(wù)剖面)。

(4) 建模步驟

其建模過程分為4個步驟,如圖3所示。

圖3 能力需求分析與建模流程

步驟 1能力需求模型組織:建立“能力需求”包結(jié)構(gòu)。

步驟 2建立初步任務(wù)運行場景:根據(jù)任務(wù)需求設(shè)計任務(wù)基本方案,建立初步任務(wù)運行場景,并使用uc圖呈現(xiàn)任務(wù)運行場景。用use-case元素具體表示任務(wù)總體運行場景、以及覆蓋任務(wù)全周期的任務(wù)階段(use-case命名應(yīng)指向為滿足任務(wù)需求而開展的某種活動),并在總體運行場景和任務(wù)階段間建立include關(guān)系,在任務(wù)階段use-case間建立association關(guān)系,呈現(xiàn)任務(wù)階段的邏輯順序,必要時可根據(jù)設(shè)計要求利用活動(act)圖對某個場景進行展開和細化。

步驟 3推導(dǎo)能力需求:在建立初步任務(wù)運行場景、定義任務(wù)各階段行為特征的基礎(chǔ)上,識別出與行為特征相對應(yīng)的能力需求,并建立條目化需求模型,使用requirement元素承載。

步驟 4能力需求復(fù)核:依據(jù)任務(wù)運行場景,對推導(dǎo)出的能力需求進行復(fù)核,確保每個任務(wù)階段均有相應(yīng)的能力需求與之對應(yīng)。如出現(xiàn)不明確的、缺失的能力需求,應(yīng)重復(fù)步驟2和步驟3,直至能力需求模型通過審核,并建立能力需求與任務(wù)階段間的dependency關(guān)系。

3.3 系統(tǒng)架構(gòu)建模

(1) 目的

結(jié)合任務(wù)需求和能力需求分析,確定初步系統(tǒng)架構(gòu)(可將現(xiàn)有工程技術(shù)體系中的大系統(tǒng)組成作為系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計的參照),經(jīng)過備選任務(wù)方案比較權(quán)衡確定工程系統(tǒng)組成,為系統(tǒng)需求分析提供輸入。

(2) 輸入

任務(wù)需求模型、能力需求模型。

(3) 輸出

任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)(系統(tǒng)組成)。

(4) 建模步驟

其建模過程分為3個步驟,如圖4所示。

步驟 1系統(tǒng)架構(gòu)模型組織:建立“系統(tǒng)架構(gòu)”包結(jié)構(gòu)。

步驟 2備選任務(wù)方案比較權(quán)衡:以初步任務(wù)運行場景為輸入,定義任務(wù)方案評價準則,組織相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜疫M行專項分析和綜合評價。

步驟 3確定系統(tǒng)架構(gòu):通過方案權(quán)衡,確定載人月球探測任務(wù)系統(tǒng)組成,并使用BDD呈現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu),用block元素具體表示工程相關(guān)系統(tǒng),用directed composition元素按照層級關(guān)系連接系統(tǒng)架構(gòu)與組成系統(tǒng)。

3.4 系統(tǒng)需求建模

(1) 目的

結(jié)合任務(wù)初步方案開展系統(tǒng)設(shè)計,細化任務(wù)剖面,推導(dǎo)出各任務(wù)剖面關(guān)鍵功能活動,將關(guān)鍵功能活動分配到系統(tǒng)架構(gòu)中的相關(guān)系統(tǒng),通過關(guān)鍵功能活動引出相關(guān)系統(tǒng)需求,并轉(zhuǎn)化為明確、可標(biāo)識的系統(tǒng)需求模型元素,以便后續(xù)各系統(tǒng)/分系統(tǒng)分析、設(shè)計和驗證過程中快速查詢、提取和追溯。

(2) 輸入

任務(wù)需求模型、能力需求模型、任務(wù)場景、任務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)。

(3) 輸出

系統(tǒng)需求模型(各系統(tǒng)/分系統(tǒng)功能、性能要求)、功能模型(支持任務(wù)邏輯流程仿真的邏輯模型)。

(4) 建模步驟

其建模過程分為6個步驟,如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)需求分析建模流程

步驟 1系統(tǒng)需求模型組織:建立“系統(tǒng)需求”包結(jié)構(gòu)。

步驟 2細化任務(wù)運行場景:以初步任務(wù)運行場景為主線和輸入,進一步細化飛行方案或飛行任務(wù)剖面,使用act圖呈現(xiàn)細化后的飛行方案或任務(wù)場景,用call behavior action元素表示場景中的飛行任務(wù)階段,用control flow,merge node等元素建立飛行任務(wù)階段之間的邏輯順序。

步驟 3細化飛行任務(wù)階段:進一步分析每個飛行階段需開展的關(guān)鍵功能活動,使用戶act圖呈現(xiàn)細化后的飛行任務(wù)事件(可根據(jù)實際建模需要配合使用狀態(tài)機圖),用call behavior action元素表示該任務(wù)階段的關(guān)鍵功能活動,用control flow,merge node等元素建立關(guān)鍵功能活動之間的邏輯順序。

步驟 4關(guān)鍵功能活動分配至系統(tǒng)架構(gòu):在細化后的飛行任務(wù)階段活動圖中建立泳道分區(qū),將系統(tǒng)架構(gòu)中建立的相關(guān)系統(tǒng)block作為各泳道分區(qū)的主體和功能活動分配對象,按照功能活動的隸屬關(guān)系,將步驟3中識別的關(guān)鍵功能活動分配到相應(yīng)系統(tǒng)的泳道分區(qū)中,并進一步識別和建立系統(tǒng)間、系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)鍵的對象流(信號、數(shù)據(jù)、能量等)傳遞關(guān)系。通過多次迭代步驟2～步驟4,建立可用于支持系統(tǒng)任務(wù)邏輯流程仿真的功能模型。

步驟 5推導(dǎo)系統(tǒng)需求:在完成關(guān)鍵功能活動分配基礎(chǔ)上,根據(jù)關(guān)鍵功能的行為特性識別相關(guān)的功能需求、性能需求,并建立由requirement元素承載的條目化需求。系統(tǒng)需求中的關(guān)鍵指標(biāo),須通過仿真、試驗或論證分析后方可確定。

步驟 5.1推導(dǎo)關(guān)鍵功能事件相關(guān)的系統(tǒng)需求:根據(jù)關(guān)鍵功能活動開展系統(tǒng)功能分析(活動圖、狀態(tài)機圖),進而捕獲對相關(guān)系統(tǒng)的功能需求、性能需求,并構(gòu)建關(guān)鍵功能活動與功能需求、性能需求的refine關(guān)系。

步驟 5.2推導(dǎo)通用性系統(tǒng)需求:針對醫(yī)學(xué)、工效學(xué)、六性等通用性需求,在步驟5.1基礎(chǔ)上,建立初步評估準則,開展相關(guān)仿真或試驗分析,根據(jù)分析結(jié)果利用“MoE(measurements of effectiveness)”block的值屬性捕獲相關(guān)需求,例如可靠性、安全性指標(biāo)等,“MoE”block作為承載相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計輸入的模型元素。

步驟 6關(guān)鍵功能活動及系統(tǒng)需求復(fù)核:依據(jù)關(guān)鍵功能和系統(tǒng)需求分配情況,對步驟5推導(dǎo)出的系統(tǒng)需求進行復(fù)核,確保每項系統(tǒng)需求都至少有一個call behavior action關(guān)鍵功能活動與之關(guān)聯(lián)。如出現(xiàn)系統(tǒng)需求不明確或缺失,應(yīng)重復(fù)步驟2～步驟5建模步驟。

3.5 仿真分析與驗證

(1) 目的

工程總體及各系統(tǒng)基于功能模型完成總體方案、飛行方案、故障對策的任務(wù)邏輯流程仿真和方案物理閉環(huán)仿真;工程各系統(tǒng)基于功能模型、產(chǎn)品模型實現(xiàn)系統(tǒng)間接口協(xié)調(diào)和匹配性驗證,基于工程模型完成結(jié)構(gòu)、力、熱、電磁等專業(yè)分析與仿真,從而驗證方案的有效性和可行性,完成系統(tǒng)功能和系統(tǒng)需求的驗證評估。

(2) 輸入

功能模型、產(chǎn)品模型、工程模型。

(3) 輸出

仿真與分析結(jié)果(反饋至第3.4節(jié)的系統(tǒng)需求)。

(4) 實施步驟

仿真驗證分為3個步驟,如圖6所示。

步驟 1邏輯流程仿真驗證:利用系統(tǒng)需求分析過程中建立的系統(tǒng)行為模型(活動圖、狀態(tài)機圖、時序圖等),開展任務(wù)邏輯流程仿真,驗證飛行時序及系統(tǒng)間交互關(guān)系的協(xié)調(diào)性、功能設(shè)計的正確性、故障對策的有效性、以及需求對功能活動的覆蓋性,并根據(jù)分析結(jié)果決策是否需迭代第3.3～3.5節(jié)的工作步驟。

步驟 2關(guān)鍵需求指標(biāo)仿真分析與驗證:針對系統(tǒng)需求建模中提出的關(guān)鍵性能需求,利用BDD、參數(shù)(parametric, par)圖及調(diào)用外部分析計算工具(Matlab、STK、Modelica等),建立相關(guān)仿真分析模型,對關(guān)鍵性能需求與設(shè)計約束開展關(guān)聯(lián)仿真分析,驗證需求與約束的匹配性,并根據(jù)分析結(jié)果決策是否需迭代第3.3～3.5節(jié)的工作步驟。

步驟 3系統(tǒng)閉環(huán)仿真驗證:以飛行任務(wù)剖面為索引,建立支持系統(tǒng)功能性能等多學(xué)科綜合仿真的功能模型,開展系統(tǒng)閉環(huán)仿真,驗證總體方案的正確性、性能指標(biāo)分配的合理性、系統(tǒng)間接口的匹配性,并根據(jù)仿真驗證結(jié)果決策是否需迭代第3.3～3.5節(jié)的工作步驟。該仿真可基于SysML邏輯流程推演,也可搭建專門的仿真平臺開展。

3.6 需求發(fā)布

(1) 目的

通過需求管理工具對任務(wù)需求模型、能力需求模型、系統(tǒng)需求模型中的條目化需求進行狀態(tài)固化,將經(jīng)過確認的條目化需求模型、全周期任務(wù)運行場景、需求文檔發(fā)布至各系統(tǒng)。

(2) 輸入

任務(wù)需求模型、能力需求模型、系統(tǒng)需求模型。

(3) 輸出

需求文檔和條目化需求模型。

(4) 發(fā)布步驟

其過程分為5個步驟,如圖7所示。

步驟 1需求匯總模型組織:建立“需求匯總”包結(jié)構(gòu)。

步驟 2生成需求數(shù)據(jù)表:建立需求匯總表,將任務(wù)需求模型、能力需求模型、系統(tǒng)需求模型匯總。

步驟 3建立需求依賴矩陣:建立上下級需求之間、需求與活動之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,為開展需求覆蓋性、追溯性分析提供依據(jù)。

步驟 3.1建立上下級需求依賴矩陣:建立需求關(guān)系矩陣,關(guān)聯(lián)任務(wù)需求與能力需求、能力需求與系統(tǒng)需求,在上下級需求之間建立“依賴”關(guān)系。

步驟 3.2需求與活動之間的依賴矩陣:建立需求關(guān)系矩陣,關(guān)聯(lián)能力需求與飛行任務(wù)階段用例(use case元素),關(guān)聯(lián)系統(tǒng)需求與關(guān)鍵功能活動,在不同層級需求與用例、活動之間建立“精化”關(guān)系。

步驟 4需求條目導(dǎo)出:將需求表中的需求數(shù)據(jù)導(dǎo)出至需求管理工具中。

步驟 5需求發(fā)布:將經(jīng)過確認的條目化需求模型、全周期任務(wù)運行場景、需求文檔發(fā)布至相關(guān)系統(tǒng)。

4 應(yīng)用實例

載人登月是目前最為復(fù)雜的工程之一[25-26]。2019年,美國副總統(tǒng)彭斯宣布2024年左右將重返月球,并建立環(huán)月空間站,將該計劃命名為“阿爾特彌斯”[27-30]。雖然這一計劃目前有可能推遲,但載人登月任務(wù)是未來載人航天的熱點方向,其難度遠大于近地載人航天任務(wù)。本文按照上述任務(wù)流程,以美國“阿爾特彌斯”計劃為應(yīng)用實例,利用CATIA Magic軟件,開展載人登月任務(wù)工程總體層面的需求分析。

(1) 任務(wù)需求建模

識別實現(xiàn)載人登月任務(wù)的利益攸關(guān)方,包括國家層面、主管部門、研制單位等任務(wù)需求模型示意圖如圖8所示。“阿爾特彌斯”計劃在任務(wù)層的需求包括了宏觀的目標(biāo),例如實現(xiàn)任務(wù)的時間、方式、總體要求等,由此可獲得條目化的需求模型,如圖9所示,便于需求的管理和發(fā)布。

圖8 阿爾忒彌斯任務(wù)需求分析

圖9 阿爾忒彌斯任務(wù)需求條目

(2) 能力需求建模

以任務(wù)需求為輸入,結(jié)合初步設(shè)計的載人登月場景,分析各個系統(tǒng)需要具備的能力,并將其轉(zhuǎn)化為相關(guān)的能力需求條目。如圖10所示,根據(jù)載人登月所需要具備的飛行場景,需要所設(shè)計的系統(tǒng)也具備完成例如發(fā)射測試、發(fā)射入軌、地月轉(zhuǎn)移等的能力。同時,得到能力需求條目。

圖10 阿爾忒彌斯能力需求分析

(3) 系統(tǒng)架構(gòu)建模

以能力需求為輸入,推導(dǎo)需要支撐這些能力所需要的系統(tǒng)的基本架構(gòu)。例如,要具備發(fā)射入軌能力,需要發(fā)射場、運載火箭及載荷(飛船或登月器)的參與;若需具備月面活動能力,則在完成將飛船送入還月軌道的同時,還需要登月器、測控通信、宇航員的參與;若需具備返回地球的能力,需要月面上升器、載人飛船、測控通信、著陸場的參與。通過分析能力需求,可得到要完成“阿爾特彌斯”載人登月所需的系統(tǒng),如圖11所示。該系統(tǒng)架構(gòu)的組成與“阿爾特彌斯”任務(wù)背景,包括頂層的利益攸關(guān)方、空間環(huán)境等要素息息相關(guān),在詳細設(shè)計時都需要進行考慮。這里推導(dǎo)出的系統(tǒng)架構(gòu)與美國航空航天局在其報告中[27]所提出的“阿爾特彌斯”任務(wù)需要詳細設(shè)計的系統(tǒng)是基本一致的。另外,在進行設(shè)計分析的過程中,可能會得到不同的方案,此時需要結(jié)合其他信息(例如專家經(jīng)驗),或是對比分析進行確定。

圖11 阿爾忒彌斯總體系統(tǒng)架構(gòu)

(4) 系統(tǒng)需求建模

以系統(tǒng)架構(gòu)和系統(tǒng)需求模型為輸入,需要將系統(tǒng)需求進行進一步詳細分解。首先,需要結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu),將飛行場景進行細化。用活動圖將飛行場景細化成關(guān)鍵功能或子場景,并通過泳道圖分配給相關(guān)的子系統(tǒng)。如圖12所示,將近地軌道停泊的飛行場景用活動圖進行了詳細分解。以詳細設(shè)計得到的飛行子場景或關(guān)鍵功能為輸入,將能力需求進一步分解為系統(tǒng)需求,并用refine建立與子場景或關(guān)鍵功能的關(guān)系。在后續(xù)設(shè)計中,子飛行階段或關(guān)鍵功能就需要滿足與之相關(guān)的系統(tǒng)需求。

圖12 阿爾忒彌斯系統(tǒng)需求分析

(5) 仿真驗證

以圖12所示的活動圖為主,開展邏輯流程仿真,驗證飛行場景在邏輯流程上的正確性。在此過程中,對與之相關(guān)的需求或關(guān)鍵指標(biāo)還需要建立專門的仿真場景,進行檢驗。

(6) 需求發(fā)布

經(jīng)過驗證后,工程總體可以將需求發(fā)布到對應(yīng)的分系統(tǒng),進行后續(xù)設(shè)計。如圖13所示,將分析驗證后的有關(guān)于飛船系統(tǒng)的需求條目模型利用需求件進行管理和發(fā)布。

至此,便完成了工程總體對任務(wù)需求的分析和總體架構(gòu)的設(shè)計。各系統(tǒng)在獲得發(fā)布的需求條目和系統(tǒng)總體架構(gòu)后,即可以此開展詳細系統(tǒng)設(shè)計,逐項滿足每一條需求。最終還需要向主管部門匯總需求的驗證情況,從而檢驗各系統(tǒng)的設(shè)計是否符合要求。

5 結(jié) 論

規(guī)范化的分析流程是工程領(lǐng)域開展高效設(shè)計分析的基礎(chǔ)。為了規(guī)范載人航天領(lǐng)域基于模型的需求分析與系統(tǒng)設(shè)計工作,本文提出了開展載人航天任務(wù)需求分析的初步工作方法和流程論。將工程總體和各系統(tǒng)的需求分析分為了6個步驟:任務(wù)需求分析、能力需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)需求分析、仿真驗證、需求發(fā)布,并且規(guī)定了其中每個步驟所使用的SysML視圖和建模方法。本文以美國阿爾特彌斯任務(wù)為背景,驗證了所提出的分析流程,最終獲得了分系統(tǒng)所需要的需求條目,為其開展詳細設(shè)計提供依據(jù)。所提方法為后續(xù)開發(fā)覆蓋載人航天全任務(wù)周期的數(shù)字化設(shè)計、技術(shù)管理流程奠定了基礎(chǔ)。