基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法

李 璞，李春明，范知友，李 碩，張金洋

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

0 前言

戰(zhàn)場高度體系化、信息化使得武器裝備信息系統(tǒng)復(fù)雜度劇烈提升[1]。當(dāng)前，主流裝甲車輛信息系統(tǒng)涵蓋武器、主動防護(hù)、行動、傳動、電氣、指控、通信等眾多分系統(tǒng)，包括的信息節(jié)點(diǎn)數(shù)超過60個；同時，新一代裝甲車輛進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)兵力火力信息里一體、網(wǎng)絡(luò)平臺傳感器深度融合、有人/無人結(jié)合、地面/控制結(jié)合、近戰(zhàn)/遠(yuǎn)戰(zhàn)結(jié)合等特點(diǎn)，使新研信息系統(tǒng)復(fù)雜度將在當(dāng)前基礎(chǔ)上進(jìn)一步提升。

復(fù)雜的提升增加了裝甲車輛信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度，使得傳統(tǒng)方法暴露諸多問題，包括無法早期驗(yàn)證、維護(hù)設(shè)計(jì)一致性及可溯性困難等。新一代裝甲車輛研發(fā)對于傳統(tǒng)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和流程提出了改進(jìn)和更新的需求[2]。

Harmony SE是基于SysML語言系統(tǒng)工程方法論。其設(shè)計(jì)階段包括需求分析、系統(tǒng)功能分析及架構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。Harmony SE通過層進(jìn)式的設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)流程，推導(dǎo)出更加穩(wěn)固的系統(tǒng)架構(gòu)；通過系統(tǒng)仿真，在修改成本低廉的階段，迭代設(shè)計(jì)系統(tǒng)行為和屬性，降低設(shè)計(jì)成本及風(fēng)險；其所使用的SysML建模語言，能夠提升設(shè)計(jì)綜合性、一致性和可追溯性，促進(jìn)不同研究部門的協(xié)同工作[4]。

1 技術(shù)簡介

1.1 Harmony SE方法簡析

Harmony SE系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)流程包括需求分析、系統(tǒng)功能分析及設(shè)計(jì)綜合三個階段，流程如圖1所示。該流程基于用例驅(qū)動，不斷階段層進(jìn)式迭代完成設(shè)計(jì)[5]。

圖1 Harmony SE方法論分析流程圖

1.1.1 需求分析

需求分析階段的目的在于分析設(shè)計(jì)輸入，即涉眾需求。基于涉眾需求，推導(dǎo)出用戶需求和系統(tǒng)需求，從而明確系統(tǒng)的功能需求和服務(wù)質(zhì)量需求。最后，通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)級用例，將系統(tǒng)需求歸類[6]，具體的系統(tǒng)需求分析流程如圖2所示。

1.1.2 系統(tǒng)功能分析

系統(tǒng)功能分析階段的目的在于將系統(tǒng)需求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)行為。該階段分析通過分析系統(tǒng)級用例，設(shè)計(jì)系統(tǒng)級模型。通過運(yùn)行模型，驗(yàn)證系統(tǒng)需求及系統(tǒng)模型的正確性。具體的系統(tǒng)功能分析流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)需求分析流程圖

圖3 系統(tǒng)功能分析流程圖

1.1.3 設(shè)計(jì)綜合

設(shè)計(jì)綜合階段的重點(diǎn)在于基于需求分析及系統(tǒng)功能分析階段的結(jié)果，開發(fā)能夠滿足功能及性能需求的物。理架構(gòu)；通過聯(lián)合運(yùn)行物理模塊模型，驗(yàn)證物理架構(gòu)的正確性。該階段包括架構(gòu)分析及架構(gòu)設(shè)計(jì)兩個階段。

1）架構(gòu)分析

架構(gòu)分析階段的目的在于分析不同特性，比較候選系統(tǒng)架構(gòu)，從而確定最優(yōu)方案。架構(gòu)分析流程如圖4 所示。

2）架構(gòu)設(shè)計(jì)

架構(gòu)設(shè)計(jì)階段的重點(diǎn)在于將功能性及非功能性的需求分配到對應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

1.2 直接應(yīng)用Harmony SE系統(tǒng)方法論的問題

Harmony SE系統(tǒng)工程方法將研究粒度定為兩級，即系統(tǒng)級及物理部件級，分別對應(yīng)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)綜合兩個階段[7]。其設(shè)計(jì)邏輯清晰，目標(biāo)明確。但實(shí)施中，在裝甲車輛信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)中直接應(yīng)用Harmony SE系統(tǒng)工程方法會產(chǎn)生兩方面不兼容問題，即：

圖4 架構(gòu)分析流程圖

缺失硬件架構(gòu)無法進(jìn)行設(shè)計(jì)。裝甲車輛功能設(shè)計(jì)階段，系統(tǒng)功能及分系統(tǒng)功能得到明確，但無法清晰定義硬件系統(tǒng)組成。硬件架構(gòu)的缺失將導(dǎo)致Harmony SE方法中設(shè)計(jì)綜合階段無法進(jìn)行后續(xù)工作；

硬件交聯(lián)關(guān)系難于分析。若按照Harmony SE系統(tǒng)工程方法，硬件部件信息交聯(lián)復(fù)雜度為O（N2），其中N為節(jié)點(diǎn)數(shù)量，即部件間的分析工作量與部件個數(shù)的平方成正比。新一代裝甲車輛信息系統(tǒng)中包含60個以上的硬件節(jié)點(diǎn)，若按照Harmony SE方法分析其間交聯(lián)關(guān)系工作量巨大。

圖5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

為解決以上突出問題，必須結(jié)合裝甲車輛信息系統(tǒng)特性，對Harmony SE方法論進(jìn)行適應(yīng)性修改，提出適應(yīng)新一代裝甲車輛信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法論。

2 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法流程

2.1 流程概述

基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法將裝甲車輛分為整車級、分系統(tǒng)級及硬件模塊級三個層次。通過兩個經(jīng)過適應(yīng)性修改的Harmony SE過程，對三個層次的對象分別進(jìn)行分析，得出裝甲車輛信息系統(tǒng)的分層模型，具體的分層模型設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)流程

2.2 任務(wù)剖面與任務(wù)流程設(shè)計(jì)

任務(wù)剖面與任務(wù)流程設(shè)計(jì)對應(yīng)Harmony SE方法中的需求分析階段。該設(shè)計(jì)以作戰(zhàn)使用需求作為涉眾需求，推導(dǎo)出系統(tǒng)需求和使用場景，即頂級用例。通過將作戰(zhàn)使用過程逐步細(xì)化，推導(dǎo)出作戰(zhàn)使用具體場景，即子用例。此后根據(jù)Harmony SE中的用例需求分析方法對整車級用例進(jìn)行分析及驗(yàn)證。

選取裝甲車輛的打擊場景為例。通過分析作戰(zhàn)使用要求，初步分析頂級用例“打擊”；通過對打擊用例的逐步細(xì)化，分析出打擊用例下的具體應(yīng)用場景，即子用例，其中包括直瞄打擊、間瞄打擊等；通過將子用例與乘員關(guān)聯(lián)，明確乘員在具體應(yīng)用場景中的任務(wù)。最后，需求分析的結(jié)果將通過設(shè)計(jì)SysML用例視圖，如圖7所示，并作為設(shè)計(jì)結(jié)果輸入至信息頂層設(shè)計(jì)中。

圖7 SysML設(shè)計(jì)裝甲車輛打擊場景需求分析系統(tǒng)用例圖

2.3 信息頂層設(shè)計(jì)

信息頂層設(shè)計(jì)以系統(tǒng)需求作為輸入，按照Harmony SE系統(tǒng)工程方法中的系統(tǒng)功能分析及設(shè)計(jì)綜合流程，對裝甲車輛車際接口、人機(jī)接口以及分系統(tǒng)之間的交聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)；分別設(shè)計(jì)并運(yùn)行整車級及分系統(tǒng)級狀態(tài)機(jī)，修改、驗(yàn)證整車級及分系統(tǒng)級信息流。信息頂層設(shè)計(jì)成果包括系統(tǒng)活動圖、系統(tǒng)狀態(tài)圖、系統(tǒng)時序圖如圖8～圖10所示。該階段設(shè)計(jì)結(jié)果將作為輸入至信息系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)。

圖8 系統(tǒng)活動圖

圖9 系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖10 系統(tǒng)時序圖

2.4 信息系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

信息系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)以分系統(tǒng)設(shè)計(jì)為輸入，應(yīng)用Harmony SE中的設(shè)計(jì)綜合階段中的架構(gòu)設(shè)計(jì)流程設(shè)計(jì)硬件模塊間的交聯(lián)關(guān)系；設(shè)計(jì)并運(yùn)行分系統(tǒng)內(nèi)部各硬件模塊的狀態(tài)機(jī)，修改、驗(yàn)證分系統(tǒng)內(nèi)部硬件模塊間及硬件模塊與其他分系統(tǒng)間的交聯(lián)關(guān)系。該階段成果包括分系統(tǒng)活動圖、分系統(tǒng)時序圖、硬件模型等，分系統(tǒng)活動圖，狀態(tài)圖，時序圖如圖11～圖13所示。該階段的硬件模型作為下一階段輸入。

2.5 設(shè)計(jì)綜合

該階段按照Harmony SE中的系統(tǒng)集成流程，將各分系統(tǒng)下的硬件模型進(jìn)行集成，形成整車模型。

2.6 逐層驗(yàn)證，迭代設(shè)計(jì)

使用硬件模型集成后的整車模型，自底向上地逐層驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果，即：部件驗(yàn)證、分系統(tǒng)驗(yàn)證、整車驗(yàn)證。

3 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法分析

3.1 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法特點(diǎn)

基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法中，任務(wù)剖面與任務(wù)流程設(shè)計(jì)及信息頂層設(shè)計(jì)應(yīng)用第一個Harmony SE流程，輸入為作戰(zhàn)使用需求，輸出為各功能分系統(tǒng)的需求與模型，以及分系統(tǒng)之間的交聯(lián)關(guān)系；信息系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用自定義的Harmony SE流程，輸入為各功能分系統(tǒng)的需求與模型，輸出為物理部件模型、物理部件間的交聯(lián)關(guān)系及部件模型集成后的整車模型。該中方法的特性如下：

1）邏輯清晰。該方法基于Harmony SE系統(tǒng)方法論，對裝甲車輛信息系統(tǒng)進(jìn)行自頂向下式設(shè)計(jì)，不同設(shè)計(jì)階段間輸入、輸出邏輯清晰；

2）層進(jìn)式設(shè)計(jì)。該流程包括剖面與任務(wù)流程設(shè)計(jì)、信息頂層設(shè)計(jì)、信息系統(tǒng)詳細(xì)、設(shè)計(jì)綜合及逐層驗(yàn)證五個階段，對信息系統(tǒng)分別進(jìn)行系統(tǒng)級、功能分系統(tǒng)及硬件模塊級建模及建模；

3）設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證。每個階段后對該階段設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行仿真，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果滿足功能需求；

4）自底向上逐層驗(yàn)證。設(shè)計(jì)綜合階段，將硬件模型集成為整車模型。通過仿真整車模型，實(shí)現(xiàn)對信息系統(tǒng)自底向上的逐層驗(yàn)證。

圖11 分系統(tǒng)活動圖

圖12 分系統(tǒng)狀態(tài)圖

3.2 解決直接應(yīng)用Harmony SE系統(tǒng)方法論的問題

對于Harmony SE方法在實(shí)際應(yīng)用中遇到的突出問題，該流程能夠有效解決：

解決“缺失硬件架構(gòu)無法進(jìn)行設(shè)計(jì)”問題。該流程在第一次應(yīng)用Harmony SE流程中，僅分析至功能分系統(tǒng)級別，不涉及具體硬件部件。而相對于硬件部件，裝甲車輛的功能分系統(tǒng)較為固定，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期即可確定。因而可以順利進(jìn)行剖面與任務(wù)流程設(shè)計(jì)及信息頂層設(shè)計(jì)工作。而信息系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)綜合階段可以在硬件組成確定后開展；

圖13 分系統(tǒng)時序圖

解決“硬件交聯(lián)關(guān)系難于分析”問題。第一個Harmony SE流程中，對分系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，從而推導(dǎo)出分系統(tǒng)內(nèi)部的硬件模塊交聯(lián)關(guān)系；分系統(tǒng)內(nèi)部硬件模塊與外部硬件模塊通過統(tǒng)一的分系統(tǒng)接口進(jìn)行交聯(lián)。再通過設(shè)計(jì)綜合階段將各分系統(tǒng)進(jìn)行集成，從而形成整車模型。該種方式下系統(tǒng)分析復(fù)雜度雖仍為O（N'2），但N'為分系統(tǒng)內(nèi)部硬件數(shù)量，明顯小于整車硬件數(shù)量；另一方面，由于分系統(tǒng)個數(shù)相同，集成的復(fù)雜度為常量，不隨N增長。故該方法下，硬件模塊交聯(lián)設(shè)計(jì)復(fù)雜度明顯下降。

4 結(jié)束語

Harmony SE方法具有邏輯清晰、一致性強(qiáng)等特點(diǎn)，適用于復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但裝甲車輛信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)直接應(yīng)用Harmony SE方法會導(dǎo)致無法確定硬件架構(gòu)和硬件交聯(lián)關(guān)系難于分析等兩個突出問題，在應(yīng)用中要對其進(jìn)行適應(yīng)性修改。

本文中提出了基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統(tǒng)分層模型設(shè)計(jì)方法。該方法結(jié)合裝甲車輛信息系統(tǒng)特性，得出不同層次的信息系統(tǒng)模型，層進(jìn)式完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該種方法能夠有效解決“缺失確定硬件架構(gòu)無法進(jìn)行設(shè)計(jì)”和“硬件交聯(lián)關(guān)系難于分析”等兩個問題，從而在有效設(shè)計(jì)系統(tǒng)的同時降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜。

參考文獻(xiàn)：

[1]邵健.基于MBSE的航天任務(wù)分析與設(shè)計(jì)方法[D].黑龍江:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[2]金圣楠.基于Harmony SE方法的坦克啟動信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].裝甲兵工程學(xué)員學(xué)報.2014.28(1):69-74.

[3]Hans-Peter Hoffmann. UML 2.0-Based System Engineering Using a Model-Driven Development Approach[J]. CrossTalk,2015(11): 17-22.

[4]Paul Pearce, Sanford Friedenthal. A Practical Approach For Modelling Submarine Subsystem Architecture In SysML[J]. Submarine Institute of Australia Science, Technology & Engineering Conference 2013: 347-360.

[5]Hans-Peter Hoffmann. SysML-based system engineering using a model-driven development approach[J].IBM Rational software White paper,2008,08.

[6]IBM.Systems Engineering Best Practical with the Rational Solution for System and Software Engineering[M].Hans-Peter Hoffmann, 2011.

[7]INCOSE.INCOSE System Engineering Handbook: A Guide for System Life Cycle Process and Activities[M].C.Haskins, Ed., 2010.