MBSE在民用飛機剎車系統需求分析中的應用

楊 弘 肖 揚 李 冰 / YANG Hong XIAO Yang LI Bing

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0 引言

系統工程是一門研究復雜系統的設計、建立、試驗和運行的科學技術。隨著科技的發展，系統的復雜程度越來越高，傳統的以文檔形式進行的設計研發過程，無法保證在較短的研制周期內、以較低的研制成本來完成最優化的系統設計及質量管理、可靠性和集成工作。因而，系統工程國際委員會(International Council On System Engineering，簡稱INCOSE)提出了“基于模型的系統工程(Model-Based System Engineering，以下簡稱MBSE)”的概念，旨在利用建模的方法代替傳統的基于文檔的方法，針對日趨復雜、集成度高、學科覆蓋面廣的系統，能夠有效縮短研制周期，降低研發成本，同時能夠提高系統的質量和可靠性。

民用飛機的設計和研制是一項高精度、高復雜度和高度綜合性的系統工程。飛機由許多具有不同特殊功能的子系統組成，而這些子系統之間又存在著相互關系，多學科交互式協同設計是保證飛機在較短研制周期內、以較低研制成本和高可靠性、高安全性設計和研發的根本。

剎車系統作為飛機的重要組成部分，在設計時要保證系統的安全性和可靠性，為飛機在不同氣象條件、不同道面條件的高速著陸提供安全的制動[1]。將MBSE思想應用到剎車系統的研制中，不僅能有效減少文檔形式研發過程的工作量，降低錯誤發生概率，還有利于各系統之間形成多學科協同設計，降低研發成本、縮短研制周期，同時提高項目團隊的集成能力。

1 基于模型的系統工程

基于模型的系統工程(MBSE)是一種將系統工程利用模型形式表現出來的思想，這就需要特定的建模語言、建模方法和建模工具來實現MBSE過程[2]。MBSE以SysML為建模語言，用模型優化了傳統的文檔形式的設計過程，將復雜系統的需求管理、系統功能分析、邏輯架構的分析和設計、向下一層級交付的可執行配置模型形成了規范化的流程。

1.1 MBSE建模方法

MBSE建模方法如圖 1矩形虛線框中所示。

圖1 MBSE建模方法

以利益攸關方的需求作為輸入，利用SysML進行需求分析，創建黑盒分析模型，對系統功能實現的行為過程進行建模，從而捕獲該行為過程中的系統需求，并得出系統功能定義。然后對系統邏輯架構進行分析和設計，從而導出系統架構細節更為清晰合理的白盒分析模型。借助白盒模型，系統設計團隊可以對系統可能的邏輯架構進行權衡分析，并將系統功能分配到子系統架構中。系統內部模塊之間、該系統與外部系統之間的接口及輸入輸出關系可以在模型中表現出來，最終得出交付給下一層級進行架構實現的基線化的可執行配置模型，包括：

1)系統功能定義文件，包括系統功能和非功能需求的追蹤關系；

2)接口控制文件(Interface Control Document，簡稱ICD)；

3)從模型衍生出來的軟件/硬件需求；

4)端口和邏輯接口的定義文件。

此外，建模完成之后，利用導出的模型可以直接生成可執行的代碼，從而進行多學科聯合仿真，對系統的性能和架構進行測試和驗證。

1.2 MBSE建模的優勢

基于模型的系統工程方法用系統建模語言代替了文檔形式的研制方式，用模型圖形描述系統架構，并對模型進行有效管理和控制，完成“模型為主，文檔為輔”的圖形化過程，將模型化的方法與文本形式的方法有效結合起來，有助于進一步突破時間和空間對設計工作的限制：

1)圖形化的表達方式，比純文本的描述更為形象、直觀，便于理解，避免了純文本描述的復雜性；

2)通過模型對系統功能行為的呈現，避免了純文本描述容易產生的歧義；

3)各系統設計團隊之間形成了局域網且可以共享數據庫，有利于團隊之間的交流與溝通；

4)通過用例場景的模型創建，將系統功能行為按流程控制的方式表現出來，便于在項目研制初期發現錯誤需求，避免后期改動產生的大量工作和額外成本；

5)模型化的表達方式比文檔形式更精確、嚴謹，并且可以執行和驗證；

6)將需求、架構和工程相關聯，使得系統研制過程的集成度高，多學科協作能力強；

7)一旦系統研制過程的某個環節需要改進，模型化的表達方式能更快更好地實現更改。

正是由于模型化方法的這些優勢，使得MBSE成為了系統工程未來的發展方向。目前，基于模型的系統工程方法已在國際航空航天領域成熟應用，波音、空客、洛克希德馬丁等公司已成功應用了這類方法，國內一些研究機構和汽車制造廠商也開始逐步使用。因此，剎車系統團隊也開始嘗試利用MBSE方法對系統需求進行捕獲、分析和確認。

3 MBSE在民機剎車系統需求分析中的應用

剎車系統的設計研制與系統的功能定義和需求是密不可分的，完善的系統功能定義和系統需求能確保剎車系統在設計過程中符合安全性、可靠性和適航的要求。

由于民用飛機與剎車系統的獨特性，同時針對某型客機項目進展的需要，設計團隊關注的重點是完善的系統需求，因此選擇用例圖、活動圖、時序圖和狀態機圖來完成建模過程，對于導出的系統需求，可用需求視圖將其圖形化。具體過程如圖 2所示。

圖2 基于MBSE的剎車系統需求建模過程

3.1 需求分析

在項目研制初期，設計團隊要對剎車系統的需求進行定義，此時的需求往往是不完善的，設計人員需要將這些需求轉換為許多用例，開始通過建模過程對需求進行完善。某型客機剎車系統的用例如圖 3所示，其中停機剎車、腳蹬剎車、自動剎車、剎車狀態顯示、防滑保護等均可稱為用例。

圖3 剎車系統的用例

3.2 用例圖

將系統執行的行為稱之為用例，用例圖表達了系統執行的用例及該行為的參與者。在用例圖中創建用例，并添加該用例的參與者。該參與者涵蓋了此用例行為過程的人或外部系統，從而真實全面地反映系統提供的外部可見功能，同時，是剎車系統與外部系統信息交互和接口創建的基礎。以停機剎車為例，分析剎車系統與停機剎車相關的需求，創建用例圖如圖 4所示。

在停機剎車功能對應的用例建模過程中，可能涉及到的外部參與者有飛行機組、駕駛艙、液壓系統、EICAS(Engine Indication and Crew Alert System，簡稱EICAS)、地勤和飛機。這些外部參與者均來自于系統功能的行為過程，對后續建模影響較大，因而需要將所有可能的外部參與者全部添加到用例圖中。

3.3 活動圖

活動圖是剎車系統功能行為的直觀表示，能形象地反映設計人員對某用例的構思。活動圖用流程控制的形式將剎車系統某個用例的行為過程表現出來，能夠說明系統的連續行為。因此，活動圖的繪制需要剎車系統設計團隊、系統專家、飛行員充分交流意見，得出滿足飛行員操作程序、符合系統行為執行邏輯和設計團隊要求的系統行為過程。對于停機剎車，其活動圖如圖5所示。

首先，檢查液壓系統的液壓源供壓是否正常，如果正常，則飛行員打開位于駕駛艙的停機剎車開關，EICAS顯示停機剎車開關狀態信息給飛行員。此時，EICAS如果顯示停機剎車是打開狀態，則飛機執行停機剎車行為；如果EICAS未顯示停機剎車開關為打開狀態，那么飛行員需要重新打開停機剎車開關，直至EICAS顯示為“ON”為止。如果檢查到液壓系統不能正常供壓，EICAS就會顯示告警信息，需要飛行機組進行排故；如果故障得以解決，執行正常的停機剎車過程；如果飛行機組未能正常排故，需要地勤人員進行維護。

3.4 時序圖

時序圖是對剎車系統行為的精確說明。與活動圖以流程控制為表現形式不同，時序圖表示系統行為隨著時間推移的變化信息，其關注點是系統中特定部分之間產生的信息交互。由活動圖直接生成時序圖，但此時的時序圖僅僅是在活動圖基礎上的時序圖框架，需要由剎車系統設計人員根據專業知識將參與者之間、參與者與用例之間的信息交互補充完整。時序圖的重要意義在于，它不僅能表現出實現系統功能的行為，還能反映行為發生的順序和不同系統之間的信息交互。

3.5 狀態機圖

狀態機圖用于指定模塊的一系列狀態，以及響應事件時，狀態之間的可能轉換。狀態機圖關注的是系統中的結構如何隨時間發生的事件改變狀態，它顯示的行為表示的往往是模塊的分類行為。狀態機圖可以對剎車系統的行為做精確、清晰的說明，同時也可以作為詳細設計的產出物(用于下一層級開發的輸入項)。狀態機的運行結果可以用來驗證模型是否符合系統需求，也可以對系統需求進行初步確認。

根據之前的活動圖和時序圖，停機剎車功能的行為流程和信息交互已經清晰，自動生成狀態機圖后，需要設計人員將停機剎車的狀態信息補充完整，并構建合理的狀態機圖。如果剎車系統行為模型的搭建存在錯誤，則狀態機圖就不能正常運行，這就需要設計團隊重新核實系統的行為邏輯和需求，并對不合理的系統行為進行更改。

3.6 剎車系統需求建模結果

通過以上停機剎車的行為建模過程，將停機剎車功能的流程控制、與參與者的信息交互創建完成，并通過狀態機圖進行了模型驗證和需求確認，剎車系統設計人員需要根據模型對初始的不完善需求進行捕獲、細化和完善。

在停機剎車的需求模型中，將捕獲到的需求進行擴展(extend)和細化(refine)，將不同層級需求之間的追溯關系用虛線箭頭連接起來，并為每條需求分配相應的編號，得到有關機輪與地面結合系數、適航條款、集成設計、作動、釋放和常規控制等方面的停機剎車需求。按照不同的類型將需求分類，得到最終更為完善、可向下一層級交付的停機剎車需求模型，對初始的需求文檔進行更改或直接從需求模型生成需求文檔。

圍繞停機剎車功能(模型中稱之為用例)，設計人員對其行為過程進行分析，進而以需求視圖的形式直觀地表現出來，通過模型對停機剎車的操作、外部環境、作動情況、狀態的呈現，從而捕獲更為完整的需求。相比傳統文檔形式的需求捕獲，能擺脫設計人員思維的局限性，從而保證需求的嚴謹和完整。表1是導出的部分停機剎車需求，從表1可以看出，相比建模之前，通過模型分析導出的停機剎車需求描述更為合理，且層次分明、可追溯性強。

表1 建模前后部分停機剎車需求對照表

4 MBSE在全機系統研制中的應用展望

作為主機廠商，飛機級及系統級需求與功能定義對于保證研制過程的順利進行、滿足適航審定的要求至關重要，需求的正確性與完整性、需求向上一層級追溯與向下一層級分配是系統順利設計與研發的基礎。此外，接口模塊的定義與ICD文件的配置，也是保證各系統之間信息傳輸、邏輯定義與各設計團隊協作開發的關鍵。

傳統文檔形式的需求管理、接口定義與邏輯架構設計，隨著系統復雜程度的不斷提高，系統研制的工作量不斷加大、研發成本持續提高、研發周期不斷拉長。基于模型的系統工程方法用圖形化的形式代替了傳統文檔形式的部分工作，使得系統設計環節更為直觀、形象，縮短飛機交付時間、降低研發成本，對研發過程中容易產生的錯誤進行有效管理與更改。同時，MBSE建立起來的模型庫與數據庫，有利于飛機各系統之間的多學科、交互式協同設計，避免設計工作的重復、遺漏，保證各設計團隊之間的有效合作，有利于主機廠商集成能力的提高。雖然，MBSE思想與方法的應用在國際航空航天領域已十分廣泛，但在國內仍屬起步階段，MBSE的全面推廣仍需不懈努力。

5 結論

基于模型的系統工程已經成為未來航空航天領域發展的趨勢與潮流。對于日趨復雜、關聯程度更高的民用飛機及其系統，基于模型的系統工程對于民用飛機設計頂層工作的開展與有效實施起到了事半功倍的作用。同時，對于不同層級之間的追溯與分配，MBSE方法可以保持很好的一致性。然而，國內MBSE理論才剛剛起步，如何在緊張的項目計劃安排中推廣這一方法，使其在現有設計體系的基礎上更好地輔助設計過程，是未來MBSE在主機廠商發展不得不面對的關鍵課題。