MBSE在機載顯示器設計中的應用

賀堃

摘要：在機載系統及設備的研發過程中，傳統的基于文檔的開發方式存在開發周期長、需求驗證困難以及更改流程復雜等問題。本文介紹了基于模型的系統工程（MBSE）方法，并在機載顯示器的設計中使用航空領域中應用較廣的Harmony-SE方法進行了需求分析、功能分析和設計綜合，對MBSE在具體產品設計中的應用進行了初步的探索。

關鍵詞：MBSE;機載顯示器設計;應用

隨著機載設備性能需求的日趨增加，機載顯示器的功能需求也越來越復雜，從原來簡單的數字顯示功能逐步發展到具有圖形顯示，圖形生成，信號處理，邏輯控制等復雜功能。在某些機型的設計中，機載顯示器還兼具了部分綜合處理機的功能。機載顯示器作為人機交互設備，其性能優劣直接決定著空勤人員對飛機相關系統的操作感受，由此可見機載顯示器作為航電系統的組成部分，其作用已越發重要。

基于模型的系統工程（Model-Based Systems Enginerring，MBSE）是一種夸領域、跨學科的系統化思維方法，MBSE將基于模型的理念貫穿產品全生命周期，通過圖形化、結構化和模型化的方法，使整個產品變得清晰、規范、易于維護，最終實現系統工程項目的設計與管理過程。MBSE方法有效的解決了基于文檔設計方法在需求驗證、技術狀態管理、數據可追溯性等方面面臨的問題。MBSE近些年來已在機載系統和設備的研制過程中得到了初步的應用。

一、基于模型的系統工程體系結構

基于模型的系統工程的基礎是系統工程，其思想是自頂向下的分解和自底向上的綜合，系統工程師完成系統的分解和系統集成，通過用戶需求分析、系統功能分析、設計方案權衡和仿真驗證，形成系統初步方案。同時將系統分解為子系統或部件，形成部件級或子系統級需求[1]。

MBSE根據系統工程從需求到系統、組件以及實現之間的分解關系，通過定義產品研制各個階段（如用戶需求、產品要求和結構、組件設計、組件制造等）的模型，實現產品研制過程和信息基于模型的管理，并再次基礎上建立了基于模型的系統工程機制。

目前世界不同組織及行業針對復雜產品形成了多種MBSE方法論，其中IBM TELELOGIC的Harmony-SE在航空航天領域應用較廣泛。Harmony-SE是大型綜合系統和軟件開發流程的子集。Harmony-SE的開發源于I-Logix公司，其前身是嵌入式市場中建模工具的主要提供者，所以更適合機載電子系統產品的開發，而基于IBM Harmony系統工程開發流程的Rhapsody工具，是目前業界應用較廣的MBSE平臺。其用戶包括波音、空客、洛克希德馬丁，國內一些研究機構和主機廠所等[2]。

二、實現與實例

基于模型的系統工程需求分析、功能分析、架構設計方法已在機載電子系統的系統設計中的得到了應用和推廣，在具體產品設計過程中的應用還較少，現以某型多功能顯示器為例，描述MBSE方法的應用場景。該多功能顯示器用于接收并顯示來自任務處理計算機的視頻信息，在備份模式下自主生成圖形。當任務處理計算機或視頻接口故障時，顯示器可以做為備份飛行電子指示器，顯示基本飛行參數，確保飛機安全返航和著陸。本實例重點對產品及架構設計進行描述。

（一）需求分析

需求分析的主要目的是對用戶需求進行梳理和分類，篩選出其功能需求，根據不同的功能需求建立相應的用例，用例的創建是需求模型設計的基礎。

（二）功能分析

功能分析階段的目的是分析系統與外部信息的交互模式和系統自身的運行狀態，無需關心系統內部結構。形成能描述系統功能及其相互之間關系的一系列模型元素，主要包括活動圖、順序圖和狀態機，功能分析針對每個用例展開。活動圖的意義在于規定了功能之間的邏輯關系、確定操作的執行順序、明確系統行為。

（三）設計綜合

設計綜合主要是依據產品架構設計，對產品功能進行分析，并將功能分解，定義并分配到相關的組件，在此過程中還需完成產品功能向組件功能的分配，完成產品性能指標向組件的分配[3]。

由于該多功能顯示器主要涉及硬件及軟件，所以主要有軟、硬件功能模塊的劃分。按照產品的功能可劃分為畫面生成、畫面顯示、視頻處理、數據通訊、電源轉換5個主要模塊，這些模塊，這些模塊將以類塊的形式存在于模型工程中，并可以在其基礎上進行軟、硬件的設計、更新和維護。

三、問題研究

基于模型的系統工程在需求分析和架構設計階段主要關注系統的邏輯行為，其工作主要是利用系統建模工具進行設計綜合和需求分解，并對系統功能需求進行驗證和確認，但作為具體產品的設計，不同專業都有其專業工具，例如結構設計工具CATIA，硬件設計工具Altium Designer等，如何將結構仿真、硬件仿真和系統架構仿真結合在一起將是產品承制單位今后開展MBSE工作的重點。

現階段，MBSE系統建模工具由支持UML建模工具擴展而來，幾乎所有圖形（用例圖、順序圖、活動圖、狀態圖）均由人工完成，無法自動生成。事實上，需求模型、結構模型、行為模型可重用元素較多。因此如何通過重用已有的系統設計模型來提高系統建模與設計效率將是模型驅動復雜產品系統建模與設計下一步值得研究與探索的重要問題[4]。

四、結束語

基于模型的系統工程是復雜系統研發的重要創新，對復雜系統的全生命周期有著至關重要的作用。近年來隨著MBSE在航空航天等復雜系統的研制中得到廣泛應用，如何把該方法有效的實踐到型號產品的研制中就成為了眾多研究人員的課題。

本文從MBSE的概念、結構進入，基于某型多功能顯示器使用Harmony-SE流程舉例分析MBSE在當前機載顯示器研制過程中的應用，為今后類似產品的設計做了初步的探索。

參考文獻：

[1]白潔、呂偉、張磊、鄧廣宗.基于模型的系統工程在機載電子系統領域的應用. 航空制造技術. 2015.4：96-99.

[2]韓風宇.基于模型的系統工程在航天器研制中的研究與實踐. 航天器工程. 2014.23（3）：119-125.

[3]王黎明.控制系統基于模型的系統工程開發方法研究[D]. 西安：西安電子科技大學.2013.

[4]劉玉生、蔣玉芹、高曙明.模型驅動的復雜產品系統設計建模綜述. 中國機械工程.2012.26（6）：741-749.