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    載人月球探測(cè)任務(wù)初期多視角分層分析方法

    2023-11-23 12:17:06彭祺擘張海聯(lián)
    宇航學(xué)報(bào) 2023年10期
    關(guān)鍵詞:狀態(tài)機(jī)視圖載人

    倪 慶,彭祺擘,張海聯(lián)

    (1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心,北京 100094;2. 中國(guó)載人航天工程辦公室,北京 100032)

    0 引 言

    國(guó)內(nèi)外航天任務(wù)一直采用系統(tǒng)工程思想作為任務(wù)管理方法[1-2]。與地球軌道載人航天任務(wù)相比,載人月球探測(cè)任務(wù)距離地球較遠(yuǎn),任務(wù)正常保障和應(yīng)急救援工程代價(jià)大,且保障和救援周期長(zhǎng),增加了任務(wù)實(shí)施難度;載人月球探測(cè)任務(wù)需經(jīng)歷地球重力、零重力、月球重力3種不同重力環(huán)境,增加了相關(guān)任務(wù)系統(tǒng)的技術(shù)研制難度。與無(wú)人探測(cè)任務(wù)相比,載人月球探測(cè)任務(wù)需保障航天員的工作與生活,保障內(nèi)容多且保障對(duì)象質(zhì)量大,增加了任務(wù)系統(tǒng)的復(fù)雜性和質(zhì)量規(guī)模;除了系統(tǒng)間交互,相關(guān)任務(wù)系統(tǒng)還需與航天員直接或間接交互,增加了交互內(nèi)容及交互關(guān)系,系統(tǒng)間交互邏輯也變得更加復(fù)雜,給任務(wù)實(shí)施的安全性帶來(lái)了技術(shù)挑戰(zhàn)。已經(jīng)實(shí)施的載人月球探測(cè)任務(wù)(美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃),主要依賴(lài)文檔進(jìn)行任務(wù)管理和系統(tǒng)設(shè)計(jì),基于文檔的系統(tǒng)工程在項(xiàng)目研制過(guò)程中發(fā)揮了重要作用。文檔中定義了各種技術(shù)要素,技術(shù)信息分布在多個(gè)文檔中,技術(shù)要素的完整性、一致性以及相互關(guān)系難以評(píng)估,導(dǎo)致需求設(shè)計(jì)、頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、底層產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)之間難以保持同步。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)改進(jìn)過(guò)程中,維護(hù)或重用需求和設(shè)計(jì)的工作量大?;谖臋n的系統(tǒng)工程方法設(shè)計(jì)模型不連續(xù)、不統(tǒng)一、交互效率不高,給大型任務(wù)實(shí)施帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn),難以適應(yīng)未來(lái)航天任務(wù)發(fā)展的需求[3-4]。

    基于模型的系統(tǒng)工程(Model-based system engi-neering,MBSE)[5]與基于文本的系統(tǒng)工程相比,把整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程模型化,通過(guò)系統(tǒng)工程軟件來(lái)建立模型元素,通過(guò)模型來(lái)承載技術(shù)要素。以模型為中心的研制思想,可覆蓋全生命周期階段,避免了文本理解的二義性,在任務(wù)初期能夠?qū)Ψ桨高M(jìn)行評(píng)估,在方案詳細(xì)設(shè)計(jì)階段能與產(chǎn)品模型直接對(duì)接,大幅提升復(fù)雜任務(wù)的設(shè)計(jì)效率。

    MBSE方法已經(jīng)在航空[6-7]、無(wú)人航天器[8-9]、導(dǎo)彈和運(yùn)載火箭[10]等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,但在載人航天領(lǐng)域還處于探索階段。文獻(xiàn)[11]給出了MBSE方法的一般工作流程,并應(yīng)用于載人飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)。張柏楠等[12]提出了面向載人航天器全生命周期的模型體系,并在載人航天器型號(hào)中進(jìn)行了應(yīng)用分析。張鵬等[13]在航天器數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)綜述中說(shuō)明了航天器數(shù)字化和MBSE的關(guān)系。文獻(xiàn)[14]采用MBSE方法對(duì)載人登月飛船系統(tǒng)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究。張兵等[15]對(duì)MBSE在航天產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析,并提出了發(fā)展方向。王為等[16]闡述了技術(shù)應(yīng)用思路并結(jié)合載人航天器研制介紹了應(yīng)用情況。

    以載人月球探測(cè)任務(wù)為代表的深空載人航天任務(wù),越早暴露設(shè)計(jì)不足,任務(wù)實(shí)施成本和風(fēng)險(xiǎn)就越低。為了在任務(wù)設(shè)計(jì)初期對(duì)方案進(jìn)行有效分析,需要形成一套能夠快速迭代的分析方法和流程[17],在任務(wù)初期對(duì)整個(gè)任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行全面分析篩查,盡早發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)間匹配性等問(wèn)題,降低方案實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn),提升任務(wù)實(shí)施效率。采用MBSE方法,將數(shù)字化技術(shù)向載人月球探測(cè)任務(wù)前端的需求分析、設(shè)計(jì)仿真等環(huán)節(jié)延伸,建立數(shù)字化模型并進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)閉環(huán)前移,能夠提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率,推動(dòng)了數(shù)字化研制模式的發(fā)展。本文提出了一種基于MBSE的任務(wù)分析方法,在系統(tǒng)正式開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)前,采用黑盒思想建立系統(tǒng)邏輯模型(非真實(shí)物理模型),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面描述,并依據(jù)黑盒邏輯模型對(duì)任務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為等進(jìn)行分析和驗(yàn)證,在任務(wù)初期實(shí)現(xiàn)快速迭代設(shè)計(jì),為任務(wù)數(shù)字化全周期覆蓋奠定基礎(chǔ),為工程數(shù)字化構(gòu)建提供支撐。

    1 多視角分層分析方法

    多視角分層分析方法根據(jù)載人月球探測(cè)任務(wù)研制階段,對(duì)基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)流程(Model-based system architecture process, MBSAP)[18]方法論進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。MBSAP中的物理視角和聚焦視角主要應(yīng)用于系統(tǒng)工程的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)與測(cè)試階段,在任務(wù)初期可對(duì)此方法論的這兩個(gè)視角進(jìn)行裁剪。方法論的運(yùn)行視角、邏輯/功能視角中均包含5種相同的視圖,載人月球探測(cè)任務(wù)初期分析過(guò)程中難以進(jìn)行視角和視圖的匹配。本文方法基于MBSAP方法論,對(duì)視角進(jìn)行調(diào)整、視圖進(jìn)行優(yōu)化,且增加了層次區(qū)別,采用SysML語(yǔ)言對(duì)方法進(jìn)行具體化,形成適應(yīng)載人月球探測(cè)任務(wù)初期分析的方法。方法從多個(gè)視角和兩個(gè)層次對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析,“多個(gè)視角”(viewpoint)是指:上下文(context)視角、能力(capability)視角、接口(interface)視角、運(yùn)行(operation)視角;“兩個(gè)層次”是指任務(wù)層(mission layer)和系統(tǒng)層(system layer)[19]。采用SysML建模工具對(duì)4個(gè)視角進(jìn)行描述,每個(gè)視角分別對(duì)任務(wù)和系統(tǒng)進(jìn)行兩個(gè)層次建模,形成對(duì)應(yīng)的視圖。任務(wù)層以載人月球探測(cè)任務(wù)為對(duì)象,從任務(wù)層面對(duì)任務(wù)進(jìn)行分析,梳理載人月球探測(cè)任務(wù)與其他航天任務(wù)的關(guān)系。系統(tǒng)層以某個(gè)關(guān)注的系統(tǒng)(System of interest,SOI)[20]為對(duì)象,對(duì)SOI及相關(guān)外部系統(tǒng)進(jìn)行分析。

    1.1 多視角分層分析方法內(nèi)涵

    以載人月球探測(cè)任務(wù)為對(duì)象,闡述多視角分層分析方法。

    1)上下文視角

    上下文視角建立任務(wù)(或SOI)環(huán)境,描述任務(wù)(或SOI)邊界。任務(wù)上下文視角梳理與載人月球探測(cè)任務(wù)相關(guān)的其他航天任務(wù),描述任務(wù)邊界。系統(tǒng)上下文視角識(shí)別與SOI相關(guān)的外部系統(tǒng),描述SOI工作邊界。任務(wù)內(nèi)所有SOI的工作邊界集合共同構(gòu)成任務(wù)邊界,任務(wù)邊界限定了SOI的邊界包絡(luò),SOI必須在任務(wù)邊界的包絡(luò)內(nèi)進(jìn)行描述。

    SysML建模視圖:包圖。包圖是一種展示模型組織方式的視圖,刻畫(huà)了模型本身結(jié)構(gòu)的信息,如圖1(a)所示。

    圖1 視圖簡(jiǎn)介

    2)能力視角

    能力視角依據(jù)上下文視角,對(duì)任務(wù)(或SOI)目標(biāo)進(jìn)行細(xì)化,梳理應(yīng)具備的能力。任務(wù)層能力視角根據(jù)任務(wù)層上下文視圖,對(duì)載人月球探測(cè)任務(wù)進(jìn)行目標(biāo)細(xì)分,建立用例,得到任務(wù)能力;系統(tǒng)層能力視角對(duì)SOI目標(biāo)細(xì)分,根據(jù)SOI與外部系統(tǒng)間的關(guān)系,建立用例,明確SOI的能力。

    SysML建模視圖:用例圖。用例圖是一種黑盒視圖,如圖1(b)所示。它描述了對(duì)象所提供的服務(wù)信息,顯示了對(duì)象的一系列行為。

    3)接口視角

    接口視角描述目標(biāo)任務(wù)(或SOI)與其他任務(wù)(或系統(tǒng))的接口。任務(wù)層接口視角明確目標(biāo)任務(wù)與其他任務(wù)之間的邏輯接口;系統(tǒng)層接口視角對(duì)SOI接口進(jìn)行描述,明確系統(tǒng)間的邏輯接口及接口內(nèi)容。

    SysML建模視圖:接口塊圖。接口塊圖描述了對(duì)象之間的關(guān)聯(lián),可以表示某一對(duì)象與另一對(duì)象之間的接口及接口內(nèi)容,接口內(nèi)容包括關(guān)聯(lián)流動(dòng)的事件、能量和數(shù)據(jù)等,如圖1(c)所示。

    需要指出的是,邏輯接口并不是任務(wù)(或SOI)的真實(shí)物理接口。邏輯接口用來(lái)對(duì)任務(wù)(或SOI)進(jìn)行技術(shù)承載,基于邏輯接口進(jìn)行技術(shù)分析,得到任務(wù)(或系統(tǒng))間的技術(shù)交互關(guān)系。

    4)運(yùn)行視角

    運(yùn)行視角選用順序圖和狀態(tài)機(jī)圖兩種視圖作為描述視圖,對(duì)任務(wù)(或SOI)運(yùn)行情況進(jìn)行描述。任務(wù)層順序圖對(duì)任務(wù)進(jìn)行任務(wù)想定規(guī)劃,描述任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程;任務(wù)層狀態(tài)機(jī)圖通過(guò)對(duì)某個(gè)任務(wù)想定的飛行階段進(jìn)行狀態(tài)描述來(lái)展示任務(wù)運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)層順序圖對(duì)SOI執(zhí)行系統(tǒng)目標(biāo)的過(guò)程進(jìn)行階段細(xì)化,描述SOI的工作全過(guò)程及交互;系統(tǒng)層狀態(tài)機(jī)圖描述SOI運(yùn)行過(guò)程中所處的工作狀態(tài)。

    SysML建模視圖:順序圖和狀態(tài)機(jī)圖。順序圖使用生命線(Lifeline)元素來(lái)說(shuō)明對(duì)象的動(dòng)態(tài)行為信息。該視圖描述了隨時(shí)間推移而發(fā)生的行為和事件序列。狀態(tài)機(jī)圖和順序圖一樣,也是一種動(dòng)態(tài)視圖;和順序圖不同的是,狀態(tài)機(jī)圖關(guān)注的是對(duì)象的狀態(tài)隨其他事件發(fā)生的變化及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。順序圖和狀態(tài)機(jī)圖分別見(jiàn)圖1(d)和圖1(e)。

    1.2 多視角關(guān)系

    多視角關(guān)系中上下文視角是創(chuàng)建黑盒模型的關(guān)鍵步驟,如圖2所示。上下文視角是基礎(chǔ),在上下文視角中明確相關(guān)參與要素并描述邊界。基于上下文視角,對(duì)任務(wù)目標(biāo)(或系統(tǒng))進(jìn)行分析,建立能力視角,得到任務(wù)(或系統(tǒng))能力。根據(jù)任務(wù)(或系統(tǒng))上下文視角和能力視角,接口視角采用邏輯接口對(duì)任務(wù)(或系統(tǒng))間的交互關(guān)系進(jìn)行描述,便于后續(xù)技術(shù)開(kāi)發(fā)。在上述3種視角的基礎(chǔ)上,建立運(yùn)行視角,對(duì)任務(wù)(或系統(tǒng))的過(guò)程和狀態(tài)進(jìn)行描述,動(dòng)態(tài)描述任務(wù)(或系統(tǒng))的運(yùn)行過(guò)程,為邏輯驗(yàn)證建立基礎(chǔ)。

    參照SysML視圖的分類(lèi)[20],視角按照視圖類(lèi)型分為結(jié)構(gòu)視角和行為視角。上下文視角、接口視角屬于SysML結(jié)構(gòu)描述視角,能力視角、運(yùn)行視角屬于SysML行為描述視角。多視角分層分析方法以任務(wù)可行性方案作為輸入,形成4個(gè)視角刻面的黑盒模型,在系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)之前,對(duì)任務(wù)和參與的系統(tǒng)進(jìn)行初步分析,評(píng)估任務(wù)和系統(tǒng)的合理性及正確性。

    2 多視角分層建模過(guò)程

    以載人月球探測(cè)任務(wù)為對(duì)象,闡述建模過(guò)程。經(jīng)過(guò)方案可行性論證,載人月球探測(cè)任務(wù)形成以運(yùn)載火箭(簡(jiǎn)稱(chēng)“火箭”或“箭”)、載人飛船(簡(jiǎn)稱(chēng)“飛船”或“船”)、月面著陸器(簡(jiǎn)稱(chēng)“器”)、月球軌道空間站(簡(jiǎn)稱(chēng)“月軌站”或“站”)、航天員(含登月服裝)為主體的任務(wù)架構(gòu),測(cè)控通信屬于各航天任務(wù)通用系統(tǒng),不列入載人月球探測(cè)任務(wù)獨(dú)有系統(tǒng)。在各系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)之前,采用基于模型的多視角分層分析方法,從多個(gè)視角、兩個(gè)層次對(duì)載人月球探測(cè)任務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行分析,為任務(wù)各邏輯系統(tǒng)建立黑盒模型,實(shí)現(xiàn)邏輯系統(tǒng)初步分析和設(shè)計(jì)。

    邏輯系統(tǒng)是從黑盒的角度表示系統(tǒng),從邏輯層面對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行描述,不對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部物理構(gòu)成進(jìn)行刻畫(huà)。邏輯系統(tǒng)不是真實(shí)的物理系統(tǒng)。同時(shí),需要說(shuō)明的是,視圖建模過(guò)程引入了SysML建模元素,相應(yīng)建模元素屬性及內(nèi)涵詳見(jiàn)SysML資料[21]。

    2.1 上下文視角

    上下文視角以目標(biāo)任務(wù)或SOI為中心,關(guān)注相關(guān)任務(wù)或關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。上下文視角采用SysML包圖構(gòu)建視圖,分別是任務(wù)層上下文視圖和系統(tǒng)層上下文視圖。視圖建模過(guò)程分為3步:

    步驟1:目標(biāo)任務(wù)或SOI采用“Package”元素表示。

    步驟2:識(shí)別任務(wù)或SOI的關(guān)聯(lián)對(duì)象,關(guān)聯(lián)對(duì)象用“Package”元素表示。

    步驟3:描述工作邊界,工作邊界用關(guān)聯(lián)關(guān)系及關(guān)聯(lián)內(nèi)容來(lái)表示。描述關(guān)聯(lián)對(duì)象的關(guān)聯(lián)關(guān)系及內(nèi)容,用“Item flow”元素表示。

    載人月球探測(cè)任務(wù)從近地空間站任務(wù)中繼承了近地生存技術(shù),其他航天任務(wù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖3(a)所示。任務(wù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系展示了目標(biāo)任務(wù)的任務(wù)邊界。

    圖3 上下文視圖

    系統(tǒng)層上下文視圖識(shí)別與SOI相關(guān)聯(lián)的外部系統(tǒng),建立SOI的工作環(huán)境。每個(gè)SOI都有一個(gè)獨(dú)立的上下文視角。SOI上下文視角以SOI為中心,建立上下文視圖。圖3(b)與圖3(c)展示了飛船與火箭系統(tǒng)上下文視圖。與飛船相比,火箭外部系統(tǒng)沒(méi)有回收救援、月球環(huán)境、航天員等。航天員與飛船直接相關(guān),與火箭無(wú)直接關(guān)系,因此航天員不屬于運(yùn)載火箭的外部系統(tǒng)。SOI與外部系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系展示了SOI的工作邊界。

    SOI上下文視圖只描述與SOI直接相關(guān)的外部系統(tǒng),存在間接關(guān)系的系統(tǒng)不列入SOI上下文視圖。

    2.2 能力視角

    在上下文視角基礎(chǔ)上,根據(jù)任務(wù)邊界或系統(tǒng)邊界,對(duì)任務(wù)目標(biāo)或系統(tǒng)目標(biāo)進(jìn)行分解,設(shè)計(jì)用例,識(shí)別任務(wù)或系統(tǒng)的能力。能力視角采用用例圖表示,視圖建模過(guò)程包括3步:

    步驟1:目標(biāo)任務(wù)或SOI采用“Package”元素表示。

    步驟2:對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分解,分解后的目標(biāo)作為用例元素,采用“Use case”元素表示。

    步驟3:依據(jù)目標(biāo)元素推導(dǎo)能力,推導(dǎo)關(guān)系用“Refine”元素表示,能力需求用“Requirement”元素表示。

    任務(wù)層能力視角在現(xiàn)有任務(wù)的基礎(chǔ)上,對(duì)任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行細(xì)分,如圖4(a)所示,載人月球探測(cè)任務(wù)目標(biāo)是把航天員送往月球并進(jìn)行月球探測(cè)。根據(jù)任務(wù)目標(biāo),參與“與/或”分解方法中的“與”分解,得到任務(wù)子目標(biāo),依據(jù)子目標(biāo)建立用例,得到載人月球探測(cè)任務(wù)的能力關(guān)系。

    圖4 能力視圖

    SOI能力視角基于上下文視角,描述SOI應(yīng)具備的能力。圖4(b)飛船能力視角中,與無(wú)人任務(wù)相比,飛船執(zhí)行載人任務(wù)時(shí)具備兩種能力:正常工況提供舒適載人環(huán)境,異常工況保障航天員生命安全。

    2.3 接口視角

    接口視角對(duì)任務(wù)間或系統(tǒng)間交互進(jìn)行結(jié)構(gòu)化描述,用來(lái)展示交互內(nèi)容及邏輯接口。接口視角采用SysML中的接口塊圖來(lái)描述,通過(guò)接口塊圖明確結(jié)構(gòu)元素、接口(含方向)、連接器和接口內(nèi)容。連接器的2個(gè)末端可以有接口,也可以沒(méi)有接口。建模過(guò)程分為4步,如下所示。

    步驟1:目標(biāo)任務(wù)(或SOI)建立實(shí)體,采用“Block”元素;

    步驟2:相關(guān)任務(wù)(或系統(tǒng))建立實(shí)體,采用“Block”元素;

    步驟3:所有任務(wù)(或SOI)Block建立端口,采用“Flow port”元素;

    步驟4:目標(biāo)任務(wù)(或SOI)Block端口與相關(guān)任務(wù)(或系統(tǒng))建立接口內(nèi)容,采用“Connector”元素。

    任務(wù)層接口視角和系統(tǒng)層接口視角如圖5所示。與上下文視角一致,無(wú)直接交互的系統(tǒng)間不建立邏輯接口。器與站有直接接口,器與船無(wú)直接接口。站、箭、航天員屬于任務(wù)架構(gòu)系統(tǒng),發(fā)射、回收、任務(wù)控制屬于各航天任務(wù)通用設(shè)施或系統(tǒng)。空間環(huán)境屬于客觀約束。

    圖5 接口視圖

    2.4 運(yùn)行視角

    運(yùn)行視角在上下文視角、能力視角、接口視角的基礎(chǔ)上,細(xì)化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程,動(dòng)態(tài)描述任務(wù)或系統(tǒng)執(zhí)行過(guò)程和狀態(tài)。運(yùn)行視角建立順序圖和狀態(tài)機(jī)圖兩種視圖。

    運(yùn)行視角順序圖通過(guò)目標(biāo)規(guī)劃得到任務(wù)或SOI的實(shí)現(xiàn)過(guò)程及交互內(nèi)容。SysML順序圖建模過(guò)程分為3步:

    步驟1:任務(wù)或SOI采用“Lifeline”元素表示。

    步驟2:運(yùn)行想定或過(guò)程用“State invariant”元素表示。

    步驟3:系統(tǒng)間交互使用“Message”元素表示。

    順序圖對(duì)任務(wù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行想定規(guī)劃。如圖6(a)所示,按照技術(shù)發(fā)展,載人月球探測(cè)任務(wù)目標(biāo)可以分為無(wú)人環(huán)月、載人環(huán)月、載人登月、月球基地4個(gè)任務(wù)想定。順序圖直觀展示了任務(wù)想定的運(yùn)行情況及與其他任務(wù)的交互情況。

    系統(tǒng)層順序圖對(duì)SOI任務(wù)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的所有階段描述。圖6(b)飛船順序圖對(duì)飛船飛行全過(guò)程及交互情況進(jìn)行直觀描述,同時(shí)可分析任務(wù)層過(guò)程和系統(tǒng)層過(guò)程間映射關(guān)系。以飛船為例,任務(wù)層過(guò)程和系統(tǒng)層過(guò)程間映射關(guān)系為:無(wú)人環(huán)月和載人環(huán)月任務(wù)中飛船飛行過(guò)程差異是航天員是否參與,載人環(huán)月和載人登月任務(wù)中飛船飛行過(guò)程差異為飛船是否與月軌站交會(huì)對(duì)接形成組合體,載人登月與月球基地任務(wù),飛船飛行過(guò)程無(wú)差別。

    運(yùn)行視角狀態(tài)機(jī)圖采用狀態(tài)機(jī)建模,任務(wù)層狀態(tài)機(jī)描述任務(wù)階段,系統(tǒng)層每個(gè)SOI擁有獨(dú)立的狀態(tài)機(jī)描述SOI自身行為。

    運(yùn)行視角狀態(tài)機(jī)圖采用黑盒方式建立狀態(tài)機(jī)模型,對(duì)任務(wù)(系統(tǒng))的外部行為進(jìn)行描述。狀態(tài)機(jī)視圖采用SysML狀態(tài)機(jī)圖進(jìn)行建模,建模過(guò)程如下:

    步驟1:建立狀態(tài)的起點(diǎn),采用“Initial”元素;

    步驟2:建立任務(wù)(系統(tǒng))的狀態(tài),采用“State”元素;

    步驟3:狀態(tài)之間建立邏輯關(guān)系,采用“Trans-ition”元素;

    步驟4:建立終點(diǎn)狀態(tài),采用“Final state”元素。

    任務(wù)狀態(tài)機(jī)圖對(duì)任務(wù)狀態(tài)進(jìn)行描述,系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行描述。圖7展示了載人登月任務(wù)想定和載人飛船狀態(tài)機(jī)。

    圖7 運(yùn)行視角狀態(tài)機(jī)圖

    運(yùn)行視角并不約束系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)方式,也不指定系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)成。

    3 分析驗(yàn)證

    航天任務(wù)架構(gòu)初步設(shè)計(jì)完成后須經(jīng)過(guò)分析和驗(yàn)證,確認(rèn)狀態(tài)、接口等技術(shù)要素滿足任務(wù)需求后,才具備轉(zhuǎn)入后續(xù)研制階段的條件[22]?,F(xiàn)有基于文檔的系統(tǒng)工程方法在任務(wù)初期通常采用兩種方式進(jìn)行分析驗(yàn)證:1)將任務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證分析過(guò)程分離,在完成任務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)后采開(kāi)始驗(yàn)證分析;2)設(shè)計(jì)和分析不分離,采用粗顆粒方式進(jìn)行階段設(shè)計(jì)和分析。方式1通過(guò)接口文件在一定程度上解決了接口交互的問(wèn)題,但任務(wù)架構(gòu)和接口信息難以清晰地展示給任務(wù)頂層設(shè)計(jì)人員,且變更的響應(yīng)速度和追溯性不高;方式2顆粒度較大,給架構(gòu)設(shè)計(jì)和分析驗(yàn)證增加了難度,容易導(dǎo)致返工。

    航天任務(wù)架構(gòu)初步設(shè)計(jì)的分析與驗(yàn)證主要解決任務(wù)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性問(wèn)題,包括能力設(shè)計(jì)的合理性、接口設(shè)計(jì)的匹配性、狀態(tài)設(shè)計(jì)的一致性3個(gè)方面。能力設(shè)計(jì)的合理性包括任務(wù)能力與系統(tǒng)能力的合理性、系統(tǒng)間能力的合理性;接口設(shè)計(jì)的匹配性包括任務(wù)接口與系統(tǒng)接口的匹配性、系統(tǒng)接口間的匹配性;狀態(tài)設(shè)計(jì)的一致性是指各系統(tǒng)狀態(tài)的運(yùn)行邏輯是否存在沖突和不兼容的現(xiàn)象。為了完成上述3個(gè)方面問(wèn)題的分析和驗(yàn)證,本文采用以模型為中心的建模思想建立任務(wù)層和系統(tǒng)層視角模型,分析工作和設(shè)計(jì)工作合二為一,統(tǒng)一模型開(kāi)展迭代設(shè)計(jì)和分析工作。

    分析驗(yàn)證規(guī)劃如圖8所示,從3個(gè)方面開(kāi)展分析工作,分別是視角直接分析、邏輯狀態(tài)分析和接口分析。視角直接分析從能力和接口兩個(gè)方面進(jìn)行關(guān)聯(lián)性檢查,檢查任務(wù)層和系統(tǒng)層的關(guān)聯(lián)性:能力視角分析完成任務(wù)能力和系統(tǒng)能力、系統(tǒng)間能力合理性分析,接口視角分析完成任務(wù)接口與系統(tǒng)接口的匹配性分析;邏輯狀態(tài)分析從執(zhí)行層面對(duì)任務(wù)架構(gòu)內(nèi)各系統(tǒng)狀態(tài)邏輯的運(yùn)行情況進(jìn)行校驗(yàn),完成狀態(tài)設(shè)計(jì)的匹配性分析和驗(yàn)證;系統(tǒng)間接口分析檢查任務(wù)架構(gòu)內(nèi)各系統(tǒng)的邏輯接口是相互匹配。通過(guò)圖8中的分析驗(yàn)證規(guī)劃,完成邏輯系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證工作,在任務(wù)初期檢驗(yàn)任務(wù)及各系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性和兼容性。

    圖8 任務(wù)分析規(guī)劃

    3.1 視角直接分析

    (1)能力分析

    能力視圖中包含了任務(wù)能力和系統(tǒng)能力,基于能力視圖開(kāi)展能力分析工作。能力分析采用能力關(guān)系圖來(lái)表示,圖中包含能力需求元素和關(guān)聯(lián)關(guān)系。能力關(guān)系圖建立了任務(wù)能力和系統(tǒng)能力間的支撐關(guān)系及系統(tǒng)能力關(guān)聯(lián)關(guān)系。

    任務(wù)能力與系統(tǒng)能力間支撐關(guān)系分析如圖9(a)所示。以任務(wù)能力“MCR1:航天員登陸月球并返回地球”為例進(jìn)行闡述,能力MCR1與3個(gè)系統(tǒng)相關(guān)能力存在支撐關(guān)系,分別是船、站、器,能力需求編號(hào)是MS-SCR2/SCR4/SCR6、MLS-SCR1/SCR2、MLDA-SCR1/SCR2/SCR3。MCR1能力的實(shí)現(xiàn),需要系統(tǒng)層7個(gè)能力的支撐,MCR1與7個(gè)系統(tǒng)層能力之間是與分配的關(guān)系,采用“Allocate”元素表示。

    圖9 能力分析

    系統(tǒng)間能力關(guān)系如圖9(b)所示,以“具備載人能力”為例進(jìn)行闡述。船、器、站三者同時(shí)具有這項(xiàng)能力,三者之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系,關(guān)聯(lián)關(guān)系采用“Trace”元素描述。MLS-SCR1的“Trace”關(guān)系與MLS-SCR2的“Trace”關(guān)系密切相關(guān),MLS-SCR2的“Trace”關(guān)系導(dǎo)致MLS-SCR1的“Trace”關(guān)系存在。若采用美國(guó)“阿波羅”登月計(jì)劃的任務(wù)架構(gòu),能力間的“Trace”關(guān)系會(huì)發(fā)生變化,飛船與器間存在“Trace”關(guān)系。圖9系統(tǒng)間能力關(guān)系圖對(duì)相關(guān)能力的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了校驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)能力設(shè)計(jì)的正確性和匹配性。

    (2)任務(wù)-系統(tǒng)間接口分析

    任務(wù)與系統(tǒng)間接口分析主要分析任務(wù)接口和系統(tǒng)接口間的傳遞關(guān)系,采用接口塊圖進(jìn)行描述。圖10中的載人月球探測(cè)內(nèi)部包括5大系統(tǒng):箭、航天員、船、器、站。圖5(a)任務(wù)接口中,載人月球探測(cè)任務(wù)與其他任務(wù)間存在8個(gè)邏輯接口,在圖10的系統(tǒng)接口中,這些邏輯接口都有對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)進(jìn)行輸入輸出傳遞。邏輯端口p8輸入“太空生存”,船、器、站均與p8連接,船、器、站從近地空間站任務(wù)中繼承太空生存保障技術(shù),其他7個(gè)邏輯端口依次建立輸入連接關(guān)系。根據(jù)圖10中的連接關(guān)系,任務(wù)輸入與系統(tǒng)輸入的連接關(guān)系及正確性得到了校核,任務(wù)輸入與系統(tǒng)輸入間的匹配性得到了驗(yàn)證。

    圖10 任務(wù)邏輯接口與系統(tǒng)間邏輯接口分析

    3.2 邏輯狀態(tài)分析

    邏輯狀態(tài)分析是從任務(wù)層面對(duì)所有參與系統(tǒng)進(jìn)行邏輯仿真,以檢驗(yàn)各系統(tǒng)邏輯狀態(tài)的正確性與匹配性。圖11展示了任務(wù)各系統(tǒng)的狀態(tài)變化,包括箭、航天員、船、器、站。運(yùn)載火箭有3次發(fā)射任務(wù),先后執(zhí)行站、器、船發(fā)射,其中航天員隨飛船一起執(zhí)行飛行任務(wù)。本文建立的SysML模型具有復(fù)用的優(yōu)點(diǎn),在3次發(fā)射任務(wù)中運(yùn)載火箭系統(tǒng)的模型是一致的。各系統(tǒng)狀態(tài)仿真結(jié)果如圖11所示,在仿真自動(dòng)生成的仿真序列圖中,運(yùn)載火箭1/2/3均具有相同的發(fā)射狀態(tài),與火箭模型的復(fù)用設(shè)計(jì)一致。站、器、船之間的狀態(tài)邏輯具體為:器與站先對(duì)接形成組成體,之后船器站三者形成組合體,再實(shí)施月面下降等后續(xù)狀態(tài)。通過(guò)仿真生成的順序圖,驗(yàn)證了船、箭、器、航天員等系統(tǒng)狀態(tài)設(shè)計(jì)、邏輯接口設(shè)計(jì)及執(zhí)行關(guān)系的正確性,校核了各系統(tǒng)主要技術(shù)要素的初步設(shè)計(jì)。

    圖11 系統(tǒng)狀態(tài)匹配性分析

    3.3 系統(tǒng)間接口分析

    在各系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上,建立系統(tǒng)間接口控制文檔(Interface control document, ICD)表,梳理系統(tǒng)間接口交互內(nèi)容。以火箭3次發(fā)射任務(wù)為例,依據(jù)各系統(tǒng)模型端口信息,自動(dòng)統(tǒng)計(jì)出箭與站、器、船之間的ICD表。在自動(dòng)統(tǒng)計(jì)的ICD表中,運(yùn)載火箭1/2/3共用一個(gè)模型,均采用“iYZHJtoFXQ”端口規(guī)格,站、器、船采用獨(dú)立的端口與火箭端口相對(duì)應(yīng)。站、器、船與箭之間的接口類(lèi)型均為“~iYZHJtoFXQ”規(guī)格,“~”表示共軛(規(guī)格一致,方向不同)。ICD表中接口名稱(chēng)、類(lèi)型及內(nèi)容驗(yàn)證了箭與站、器、船間邏輯接口設(shè)計(jì)的正確性和匹配性。基于文檔的ICD表采用自然語(yǔ)言描述箭與站、器、船之間的端口信息,這些技術(shù)描述分別記錄在箭與站、器、船之間的ICD表中。采用文檔記錄接口信息,接口信息具有散布、隔離、不可直接追溯的特點(diǎn)。與基于文檔的系統(tǒng)工程ICD表相比,基于模型的ICD表中火箭端口及內(nèi)容采用模型進(jìn)行描述,端口信息能直接進(jìn)行對(duì)比、統(tǒng)計(jì)和關(guān)聯(lián),體現(xiàn)了模型復(fù)用性、一致性和可追溯性的優(yōu)勢(shì)。

    4 結(jié) 論

    對(duì)于載人月球探測(cè)這類(lèi)具有規(guī)模大、安全性要求高等特點(diǎn)的航天任務(wù),本文采用基于模型的系統(tǒng)工程分析方法,遵循以模型為中心的思想,從多個(gè)視角、兩個(gè)層次建立模型,在設(shè)計(jì)初期對(duì)任務(wù)進(jìn)行全面分析,可實(shí)現(xiàn)快速迭代設(shè)計(jì)。通過(guò)載人月球探測(cè)任務(wù)的案例,對(duì)層級(jí)關(guān)系、系統(tǒng)狀態(tài)、接口等技術(shù)要素進(jìn)行了分析驗(yàn)證,說(shuō)明了方法的有效性。該方法建立的數(shù)字化模型降低了后續(xù)研制工作的實(shí)施風(fēng)險(xiǎn),為載人月球探測(cè)工程全周期數(shù)字化工作提供了思路,推動(dòng)了工程研制模式的提升。

    后續(xù)將根據(jù)載人月球探測(cè)任務(wù)未來(lái)研制工作的特點(diǎn),結(jié)合本文方法深入開(kāi)展MBSE技術(shù)在不同研制階段的實(shí)踐探索,為MBSE技術(shù)貫穿整個(gè)載人月球探測(cè)工程提供技術(shù)支撐。同時(shí)將研究多視角分層分析方法在火星等地外天體探測(cè)領(lǐng)域和其他航天領(lǐng)域中的應(yīng)用,對(duì)方法進(jìn)行拓展和完善,探索形成符合國(guó)內(nèi)航天研制特點(diǎn)的MBSE技術(shù)方法。

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    5.3 視圖與投影
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