基于模型的飛機系統架構設計綜述

李浩敏 /

(上海飛機設計研究院，上海 200120)

基于模型的飛機系統架構設計綜述

李浩敏 /

(上海飛機設計研究院，上海 200120)

從飛機系統架構設計的必要性、系統架構的建模和分析過程、支持架構建模分析的MBSE方法論、架構建模語言、架構建模工具、面向全機系統架構的協同設計和聯合建模仿真等角度出發，對飛機系統架構設計相關的基礎內容進行了全方位的綜述，并提出了初步的飛機系統架構設計思想及其落實途徑。

系統架構；Modelica；架構建模；聯合仿真

1 飛機系統架構設計的必要性

SAE ARP 4754A[1]中關于“系統架構”的描述為：系統架構的開發作為飛機/系統概念研制過程的核心工作。系統架構將確立系統結構及邊界，在該結構及邊界內，實施具體的項目設計以滿足已建立的需求。可以考慮多個候選系統架構用于實現設計。

進行“基于模型的飛機系統架構設計”的意義在于，通過建立較為真實的飛機系統架構模型，可以幫助飛機設計者在設計初期對新技術的使用、全機系統架構的綜合權衡、飛機頂層指標的確定以及飛機級需求的確認和初步驗證等關鍵內容進行評估，從而降低飛機設計的風險，減少設計成本，縮短飛機研制流程。

2 系統架構的建模[2]

2.1 功能架構建模

功能架構建模過程包含三個主要步驟：

1) 分析運行場景，識別系統頂層的“核心功能”，并形成系統的“功能上下文模型”；

2) 分析系統功能上下文模型，識別目標系統的“驅動”和“反應”，開發“系統線程”；

3) 將“系統線程”進行有機整合，形成系統的“功能架構”。

2.2 邏輯/物理架構建模

邏輯/物理架構，應該由兩部分組成，一部分是邏輯/物理模塊層級圖，另一部分是物理模塊關系圖。前者重點表現系統模塊之間的層級結構，即包含與被包含關系；后者重點表現各層級模塊之間的接口和運行依賴關系。

3 幾種重要的MBSE方法論及其架構設計和分析過程[3-5]

3.1 IBM Harmony-SE

Harmony-SE的活動如圖 1所示。

Harmony-SE方法論主要包括以下三個頂層過程元素：

1) 需求分析，針對系統用例進行識別和初步分析，其過程輸出包括系統場景和用例。

2) 系統功能分析，輸出用例模型和運行合約，運行合約描述系統與外界交互的邏輯和接口規范。通過用例一致性分析建立用例協作模型，將用例融合在一起，以形成對系統功能的全方位考察；

3) 架構設計，輸出系統架構模型和伴生的運行合約，包括ICD和設計規范。

3.2 INCOSE OOSEM

INCOSE的OOSEM是一種將面向對象的分析技術和系統工程理論基礎充分結合的自頂向下的場景驅動的MBSE方法論。OOSEM的活動如圖 2所示。

OOSEM的關鍵活動包括：

1) 分析利益相關方的要求和需要；

2) 定義系統需求；

3) 定義邏輯架構；

4) 對已分配的備選架構進行綜合并分析，聚合(Synthesize)成物理架構；

5) 對備選綜合架構進行評估和優化；

6) 確認和驗證系統設計。

4 支持架構建模的語言和相關建模工具

4.1 Modelica和Dymola[6]

Modelica語言是一種開源的、用于構建大型復雜和多樣化的物理系統模型的面向對象語言。

目前Modelica語言已擁有機械、電子、電氣、液壓、熱力學、控制邏輯、電機等多個學科的標準模型庫，可以快速建立系統級性能分析模型。由于采用了面向對象的語言策略，Modelica充分支持非因果建模，將理解模型和理解現實世界的問題充分對應，方便針對具體問題進行分析。

Dymola基于Modelica語言，使用一種新的基于面向對象和方程的建模方法，方程的自動處理替代了傳統意義上方程到模塊框圖的人工轉換， Dymola程序的結構如圖3所示。

4.2 Arcadia和Capella[7]

Arcadia是一個有特定工具Capella支持的MBSE方法，用于軟/硬件和系統架構設計。

基于Arcadia和Capella的系統設計過程如圖 4所示。

其中，OA層分析“系統用戶想要系統完成什么”，SA層分析“系統需要如何運作來滿足用戶的要求，即功能分析”，LA層分析“系統的邏輯組件需要如何協作來實現特定的功能，并滿足特定的限制等條件”，PA層分析“系統應該如何被實現并構建”。在各層級設計分析之后，可以生成EPBS(End-Product Breakdown Structure)，根據EPBS可以形成與系統供應商或者下層設計人員之間的合約，定義他們的系統設計內容和設計規范。

需要注意的是，Arcadia和Capella由Thales公司提供，它主要是一家航電企業，他們提出的方法論和開發的建模設計工具偏重于航電系統設計，擅長于數據傳遞、事件觸發、并行或串行處理等狀態邏輯的設計，目前其架構綜合設計能力并不適合控制系統和機械系統開發。

4.3 Matlab和Simulink

Simulink是Matlab中的一種可視化仿真工具，是一種基于Matlab的框圖設計環境，是實現動態系統建模、仿真和分析的一個軟件包，被廣泛應用于線性系統、非線性系統、數字控制及數字信號處理的建模和仿真中。

5 多系統架構協同設計和聯合建模仿真

5.1 多系統架構協同設計

為解決整機級系統架構權衡的問題，需要對多系統架構進行協同設計?？傮w和分系統的架構協同設計包括兩部分，分別是“接口設計(ICD)”和“基于架構模型的協同設計和仿真驗證”。具體形式如圖5所示。

5.2 多學科聯合仿真方法/工具/平臺

多學科聯合仿真的方法包括但不限于：

1) 基于S-Function的聯合仿真；

2) 基于Modelica的多學科聯合仿真；

3) 基于FMI/FMU的聯合仿真；

4) 基于ModelCenter的聯合仿真；

5) 基于TISC的分布式聯合仿真。

5.2.1 基于FMI和FMU的聯合仿真

歐洲Modelica協會提出了FMI(Functional Mock-up Interface，簡稱FMI)。FMI 是開放的第三方標準接口協議，任何軟件均可以基于該協議開發接口，任何軟件均可以基于該協議開發接口，將模型封裝為FMU(Functional Mock-Up Unit，簡稱FMU)或導入其他軟件生成的FMU，實現模型交互和聯合仿真。基于FMI/FMU 可以實現異構模型聯合仿真中的數據交互。

FMU是黑盒模型，可以用于模型交互和聯合仿真，但無法獲得模型的原理等核心信息，有助于保護模型所有者的知識產權。

5.2.2 基于ModelCenter的聯合仿真

ModelCenter是一個圖形化的設計環境，用于設計自動化、設計集成和設計優化，其強項在于軟件集成和多學科聯合優化?；贛odelCenter模型集成和仿真的過程如圖6所示。

5.2.3 基于TISC分布式聯合仿真平臺的聯合仿真

采用第三方的分布式聯合仿真平臺是解決多學科聯合仿真的有效手段。TISC是一款分布式聯合仿真平臺，其平臺結構如圖7所示。

TISC 是一個用于控制不同仿真應用的聯合仿真環境，可劃分為控制層和仿真層。仿真層可以耦合不同工具，并執行聯合仿真計算?？刂茖涌刂坡摵戏抡孢M程，易于配置不同工具和模型進行聯合仿真計算。基于TISC 平臺，可以便捷地實現不同仿真工具間的聯合仿真，各種不同的仿真工具只需要開發與TISC 的集成接口即可，并且TISC 目前已經支持的工具可以覆蓋絕大部分的常用仿真工具，而目前尚未支持的工具，也可通過定制化開發實現與TISC 的集成。

6 飛機系統架構設計思想及其落實

6.1 飛機系統架構綜合設計思想

飛機系統架構設計要在全機系統架構和分系統架構兩個層面上進行考慮，全機系統架構的綜合設計權衡主要考慮整機的設計目標，主要考慮多系統架構間的多角度的穩態耦合(包括功能邏輯、功率特性的匹配、故障傳播等)和系統間ICD的初步定義等；而分系統架構設計主要依據整機系統架構框架進行更深層次的分析，包括系統架構的功能邏輯、動態特性和更加具體的ICD定義等。

6.2 基于模型的飛機系統架構綜合設計

飛機總體、航電、機械和各種控制電子，其系統架構緊密相關卻又各有側重，需要使用不同的方法進行建模和分析，需要依據設計目的在不同層級不同顆粒度下進行綜合建模規劃。

根據對架構設計理論的分析，以及對架構建模工具的綜合評估，可以初步確定飛機系統架構建模和分析的方案：航電部分使用Capella進行邏輯密集型軟硬件的開發，機械系統部分使用Dymola對機電液氣等系統進行被控對象的設計，控制系統部分使用Simulink對控制邏輯和控制算法比如飛行控制律進行設計，總體層面使用綜合仿真平臺例如TISC進行全機系統架構權衡，并最終完成飛機系統架構的綜合設計。

飛機級系統架構綜合權衡設計平臺如圖8所示。

7 結論

本文首先論述了飛機系統架構設計的必要性，然后對系統架構的建模和分析過程進行了總結。通過對MBSE方法論、架構建模語言和架構建模工具的分析，確定了飛機各系統架構設計應該采用的方法、語言和工具；通過對多系統架構協同設計和聯合仿真的探討，確定了飛機系統架構綜合權衡設計應采用的思想和實施途徑。

希望本文能夠為飛機總體層面的系統架構綜合設計提供一些思路。

[1] SAE ARP 4754A. Guidelines for Development of Civil Aircraft and Systems[S].2010.

[2] Julia Murray.MBSE Media Study[C].2012.

[3] Jeff A Estefan.Survey of Model Based Systems Engineering Methodologies [C].INCOSE, 2007.

[4] David Long, Zane Scott.A Primer for Model-Based Systems Engineering[M]. Vitech, 2011.

[5] Lykins, Howard, etc.Adapting UML for an Object-Oriented Systems Engineering Method (OOSEM)[C]. Proceedings of the INCOSE 2000 International Symposium, 2000.

[6] Modelica Association.Modelica—A Unified Object-Oriented Language for Physical Systems Modeling—Language Specification[S]. 2014.

[7] Jean Luc Voirin, Stephane Bonnet.A MBSE method for System, Software and Hardware Architectural Design—ARCADIA and Capella[C]. 2015.

Review on the Model-Based A/C System Architecture Design

LI Haomin

(Shanghai aircraft design and research Institute, Shanghai, 200120 China)

This paper introduces the fundamental but critical concpets of A/C system architecture design, which includes the necessity of A/C system architecture design, the modeling and analysis process, the related MBSE methodology, the architecture modeling language, the collaborative design and joint simulation. After this review, this paper also gives a initial proposal on the model-based A/C system architecture philosophy.

system architecture； modelica； architecture modeling； joint simulation

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.03.003

李浩敏男，研究員。主要研究方向：系統工程、需求管理、MBSE、民用飛機綜合設計。TEL：021-20865665，E-mail:Lihaomin@comac.cc

V221

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