基于Rhapsody的功能邏輯建模在蒸發循環制冷系統設計中的應用

摘 要：基于模型的系統工程（MBSE）方法是通過標準系統建模語言構建產品的需求模型、功能模型、架構模型，實現需求、功能到物理架構的分解和分配，通過模型執行實現對需求和邏輯的“確認”和“驗證”。在設計的早期階段，發現需求的缺失和偏差并及時修正，有效降低產品研制成本，縮短研制周期。本文通過實例介紹基于Rhapsody的功能邏輯建模的方法和過程，以期為相關設計人員開展產品的功能邏輯分析提供參考和指導。

關鍵詞：MBSE；Rhapsody；功能邏輯模型；需求

中圖分類號：TB657 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0036-04

The Application of Function-Logic Modeling Based On Rhapsody

for The Evaporation Circulating Cooling System

SUN Yubo1 WU Zemin2

（1. Naval Aviation Military Agent's Room in Luoyang District，Luoyang Henan 471000；2. Avic Xinxiang Aviation Industry （Group） Co.Ltd.，Xinxiang Henan 453049）

Abstract： MBSE method builds the requirement model， functional model and architectural model of product through standard system language. Then implements the system requirements and function to the decomposition and distribution of physical architecture， and realizes the validation and verification of requirements and logic by model executing. Engineer can find the loss and deviation of requirements in the early stages of development， then correct them in time so that can effectively reduce the development costs and shorten the development cycle. This paper introduced the method and process of function-logic modeling that based on Rhapsody through practical example， hoped to provide reference and guidance for related designer when they should build the function-logic analysis of product.

Keywords： MBSE；Rhapsody；function-logical model； requirement

基于模型的系統工程（MBSE）的建模過程是以需求為核心，模型為驅動，通過一種通用的圖形化建模語言（SysML語言）來描述、分析、設計和驗證系統產品[1]。在這一過程中，每階段都可通過一個特定類型的模型來支持，如需求模型、可執行的功能模型和架構分析模型等。通過模型的執行和測試，驗證系統的行為，發現潛在的或被忽略的需求，實現對系統需求的迭代和驗證。

通過建立系統模型幫助需求工程師分析特定層次上的需求，以便其與客戶之間的溝通交流，提高對所開發系統的相互理解，并通過導出下層需求，確定如何滿足本層的需求；使用繪畫方式，將存在于研發人員腦海中的一些思想、開發過程中的一些方面進行可視化、形象化表達，并提供標準的語法為團隊內部理解系統提供媒介，避免產生歧義。模型是系統的一個抽象，這種抽象有意地聚焦于系統的某些方面而排除其他方面，避免使人分心，忽略那些雖然很重要但與該模型無關的細節，使模型能夠被用于收集、處理、組織和分析較少的相關信息，應用各種特殊的技術進行相關研究。此外，模型以電子的形式存儲在計算機中，便于溝通和信息的傳遞交流。

1 功能邏輯建模

1.1 對功能邏輯建模必要性的認識

目前，物理建模已經廣泛應用于產品的研發過程中，通過CATIA、ANSYS等仿真工具的物理建模活動展現產品的實現原理和算法。但是，物理建模強調具體，側重對經驗的演繹，難以有效地將復雜的系統問題進行簡化處理，當問題的復雜度增加時，解決方案的復雜度隨之成倍增加。而功能邏輯建模則強調抽象，側重歸納。在功能邏輯建模活動中，采用SysML語言將系統行為抽象為用例、操作、狀態等模型元素，以類/塊、狀態嵌套、活動調用等方式表示歸納，區分特殊與一般，將復雜的系統問題分層考慮，從而降低解決方案的局部復雜度。此外，功能邏輯建模過程的抽象層次更高，模型復用的范圍更廣，建模經驗可以在不同類別的機電類產品之間，乃至航電、飛控類產品之間復用，有利于經驗的積累與推廣。因此，在產品研發過程中開展功能邏輯建模活動以應對日益增長的系統復雜度是極為有必要的。

1.2 基于Rhapsody的功能邏輯建模

基于Rhapsody的功能邏輯建模是借助IBM Rational Rhapsody建模軟件，采用SysML語言，以方框作為基本結構元素，方框之間的溝通基于消息（服務請求），實現對系統功能和結構的描述[2]。其關鍵目標是要識別/導出所需的系統功能，識別出一系列相關的系統狀態和模式，并將系統功能分配到系統架構，同時考慮一些非功能性需求。

對系統進行功能邏輯分析，其核心是將功能性需求轉換成一個系統功能的連續性操作，即通過構建系統的功能邏輯模型和模型的執行在產品研制早期對系統的需求進行驗證與確認，進而不斷發現需求偏差與需求缺失，完善補充系統功能，確保系統的成功實現。

1.3 功能邏輯建模流程

通過功能邏輯建模對系統需求進行梳理、分析和驗證，其過程包括識別關鍵問題、背景分析、定義狀態和模式、定義系統頂層功能、分解頂層功能到子功能、定義功能邏輯流程圖及進行模型的執行和迭代，最終得出各流程步驟的輸出模型。基于Rhapsody的功能邏輯建模流程步驟如圖1所示。

2 實例應用

該蒸發循環制冷系統是安裝在某型機上的，對駕駛艙和客艙進行制冷和通風。

2.1 識別系統關鍵功能

①制冷功能。根據接收到的制冷指令，對駕駛艙和客艙進行制冷。

②通風功能。根據接收到的通風指令，對駕駛艙和客艙進行通風。

③控制功能。按照接收到的機電綜合管理系統的指令工作，記錄、存儲工作參數，判斷故障并傳輸，依據故障自動停機等。

④保護功能。超壓保護，自動監測各種短路、斷路和超壓故障并輸送相應故障代碼。

2.2 背景分析

經分析，該蒸發循環制冷系統要實現制冷、通風、控制及自檢等功能，首先，需要上電，包括接通直流電和交流電；其次，通過接收飛行員的指令執行相應動作，并反饋系統當前的運行情況及采集的溫度信息。通過系統的背景分析，初步確定系統與外部的接口，即系統應具備信息交互接口、配電接口、溫度監測接口和空氣流通接口，另外還應有維護接口。

2.3 定義狀態和模式

建模之初應考慮系統或產品所處的狀態。對于一個系統或產品而言，狀態是系統固有的，同一層級的狀態之間互斥，不同層級的狀態之間可以嵌套；而模式是為保證功能的實現設計出來的，主要是定義某種模式應處于系統的哪種狀態下。

經分析，該蒸發循環制冷系統有關閉狀態、待機狀態和運行狀態，也會出現故障狀態。為實現對駕駛艙和客艙的制冷和通風，定義系統的制冷模式（全艙制冷子模式和前艙制冷子模式）和通風模式。

該蒸發循環制冷系統的狀態和模式遷移圖如圖2所示。

2.4 定義系統頂層功能并分解到子功能

通過關鍵功能識別，定義該蒸發循環制冷系統的頂層功能為制冷功能、通風功能、控制功能和保護功能。考慮到功能的實現及對系統的保護，系統還應具備自檢功能等。因此，對頂層功能進行分析與分解，分解出系統的底層功能，分別有初始化功能、全艙制冷功能、前艙制冷功能、通風功能、上電自檢功能和周期巡檢功能。

2.5 底層功能邏輯分析

功能邏輯分析主要是指系統為完成某特定功能所要執行的一系列活動和操作，是對系統功能的描述，側重功能而非實現。在此，本文只針對前艙制冷功能的邏輯進行分析，根據設定溫度和各采集溫度的關系，在前艙制冷功能下，可分為“制冷待機”“前艙制冷”“前艙除霜”和“制冷暫停”四種模式。

該蒸發循環制冷系統前艙制冷功能邏輯建模主活動圖如圖3所示。

2.5.1 制冷待機。當[T1

2.5.2 前艙制冷。當[T1≥T0+2°C]、[T2≥1°C]時，冷凝風機、壓縮機運轉，系統進入前艙制冷模式，制冷電控盒應反饋“前艙制冷”信號。如圖5所示。

2.5.3 前艙除霜。系統在前艙制冷模式運行過程中，當[T1≥T0+2°C]、[T2<1°C]時，進入前艙除霜模式，此時，冷凝風機、壓縮機停止運行。制冷電控盒應反饋“前艙除霜”信號。除霜過程中對各溫度進行采集，當[T1≥T0+2°C]、[T2≥3°C]時，退出前艙除霜模式，進入前艙制冷模式。如圖6所示。

2.5.4 制冷暫停。在前艙制冷模式運行過程中，當[T1≤T0-2°C]、[T2≥1°C]時，進入制冷暫停模式，此時，冷凝風機、壓縮機停止運行。制冷電控盒應反饋“制冷暫停”信號。制冷過程中，對各溫度進行采集，當[T1≥T0+2°C]、[T2≥1°C]時，退出制冷暫停模式，進入前艙制冷模式。如圖7所示。

2.6 模型執行與迭代

可執行的模型（狀態圖）以圖形化的方式直觀地展示系統的運行過程，包括系統所處的狀態、狀態之間的轉換、伴隨轉換的動作及對異常做出的響應等。通過模型的執行，驗證系統是否符合預期構想，進而在產品研制早期及時發現需求的偏差與缺失，完善系統功能。

模型的執行可以通過模擬操縱面板進行狀態的切換，以前艙除霜為例，模擬操縱面板如圖8所示，執行前艙制冷如圖9所示。

3 結語

本文介紹了基于Rhapsody的功能邏輯建模過程，并將其應用到某蒸發循環制冷系統中進行需求的分析和迭代驗證，通過識別系統的關鍵功能、定義系統的狀態和模式、定義頂層功能并分解到子功能、各功能的邏輯分析及模型的執行與迭代，發現系統需求中存在的偏差和缺失，并及時進行補充和修改。在早期實現對系統需求的驗證與確認，確保系統的成功實現。

參考文獻：

[1]國際系統工程協會（INCOSE）.基于模型的系統工程（MBSE）方法論綜述[M].張新國，譯.北京：機械工業出版社，2014.

[2]Lenny Delligatti.SysML精粹[M].侯伯薇，朱艷蘭，譯.北京：機械工業出版社，2014.