基于模型的系統工程在航空制造領域的應用與展望

王 凱 韓 冰 黃平安 宇 峰

（中航西安飛機工業集團股份有限公司，西安 710089）

近年來，隨著計算機技術與仿真軟件技術的不斷發展，基于模型的系統工程（Model Based System Engineering，MBSE）以其需求分析、正向設計以及支持V&V 活動等技術特征，在航空設計部門得到了越來越廣泛而深入的應用。該工程一改以往基于文本的設計過程，引入基于模型的統一數據源、數據可驗證和可追溯設計理念，通過計算機仿真技術能夠協助設計師開展需求分析、方案和參數設計以及跨學科和專業的仿真驗證，極大地降低了航空裝備設計過程中方案和硬件系統的修改與迭代次數，同時為不同部門、專業和系統間的數據互聯以及基于模型的設計符合性驗證提供了有效的工具集與方法論，并隨之在設計部門產生了大量寶貴的仿真模型和數據資源，一方面極大地提升了航空裝備設計過程的數字化水平，另一方面進一步加大了航空制造企業與設計部門之間的數字互聯。為突破制造測試端與設計之間的技術瓶頸，實現數據在航空裝備設計與制造測試階段的雙向流動，需將基于模型的系統工程方法論引入制造測試環節，構建基于統一數據源的設計-制造協同測試體系，實現基于模型的設計在制造測試階段的數據閉環。

1 基于模型的系統設計

MBSE 是美國系統工程協會在《SE 愿景2020》系統工程遠景規劃中提出的一種用來捕獲系統架構、關系、需求和約束的系統工程方法，其規定在包括系統開發的整個生命周期內，始終以模型為載體，支持開展系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動。按照系統、設備設計過程和任務階段的要求，MBSE將設計過程分解為需求（Requirements）定義、功能（Function）分析、邏輯（Logical）設計和物理（Physical）設計，簡稱為RFLP，其過程如圖1 所示[1]。

圖1 中左側描述了自頂向下的需求分析、邏輯和物理架構設計過程，其結果是將外部需求通過專用仿真分析工具進行結構化分解，并分別在邏輯層和物理層完成指標分解與架構的初步設計；圖1 右側描述了自底向上的設計結果驗證與確認過程，按照設計結果（設備、系統方案和架構）特征和規模，逐級開展模型設計、模型參數匹配、仿真驗證、綜合集成測試確認以及模型仿真與硬件測控系統的綜合驗證，最終完成系統需求和功能的可行性和符合性驗證與確認[2]。在上述兩個過程中，模型作為功能和環境仿真輸出數據的源和信息解算載體，是基于MBSE 設計開發的核心要素。值得注意的是，上述FRLP 開發過程包含硬件開發與驗證過程，在驗證過程中，綜合模型的成熟度和相似度要以仿真數據為依據，通過構建實物或硬件的測試系統，并采用實物逐級替代模型的方式，構造半物理仿真測試環境，實現數學模型與硬件測試系統的數據映射與綜合處理，從而完成針對特定設備、系統的聯合仿真測試，實現對設計結果和性能更為全面系統地驗證、考核與確認。

圖1 FRLP 過程示意圖

通過FRLP 開發過程，在設計階段能夠形成設備、系統和環境仿真模型、模型運行參數池以及仿真運行數據庫等正向設計成果，該類成果一方面是指導設計開展硬件設計與迭代完善的重要依據，另一方面是指支持制造測試端進行設計符合性驗證與制造符合性檢查的唯一數據源，為制造測試階段開展基于模型的系統功能驗證與檢查提供了依據。

2 模型仿真符合性原理

模型仿真的目的是依據模型運行輸出結果來評價和研究模型、系統設計結果的功能和性能，其中仿真結果與真實系統試驗結果是否匹配，是基于MBSE 開展工程實踐前需要明確的一個關鍵問題。因為模型仿真的輸出信息可分為靜態數據和動態數據，所以對不同的數據可采用不同的分析方法。

2.1 靜態數據模型分析

對于靜態數據模型，可采用非參數檢驗法中的秩和檢驗法進行評定[3]。基于秩理論，Wilcoxon 提出用其中容量較小樣本的秩和作為檢驗統計量，假設m≤n，選擇Y的樣本(Y1,Y2,…,Ym)在混合樣本中的秩和作為檢驗統計量，即：

則可以證明：

經驗表明，當最小值(n,m)＞7 時，T為正態分布近似統計量，此時可以其獲得相當精確的近似結果。因此，根據式（1）可設計一個秩和檢驗分位表，對于給定的n、m及顯著性水平a，在分位表中查到滿足下列關系的T1和T2：

式中：當T1＜T2時，樣本(X1,X2,…,Xn) 與樣本(Y1,Y2,…,Ym)相容。

一般地，在使用上述方法時，可查找分位表得到T1和T2，使得：

則其否定域為：

將兩個樣本觀測值進行混合排序，獲得樣本容量較小的樣本中每個分量的秩，并計算統計量T的觀察值，判斷其是否落入否定域G，若T≤T1或T≥T2，則否定原假設，即認為兩個子樣本不是來自同一總體，反之則接受原假設，認為兩個樣本是相容的。

2.2 動態數據模型分析

對于動態數據模型，可采用時域TIC 不等式系數法進行判定。設xt為仿真模型輸出序列，yt為實際系統輸出序列或理論期望值，并取數據長度為N，定義標量TIC 函數如下：

根據式（6）可知，ρ(x,y)具備如下特性：

（1）反身性，即ρ(x,y)=ρ(y,x)；

（2）規范性，即0 ≤ρ(x,y)≤1，其中ρ=0 表示對所有的t=1,2,…,N有xt=yt，即xi和yi完全一致，ρ=1 表示xi和yi之間的一種最不相關的情況；

（3）ρ越小，表明xi和yi的一致性越好。

綜上所述，可采用秩和檢驗法與TIC 不等式系數法分別評估仿真結果的靜態數據模型和動態數據模型，從理論上完成模型與實物的相關性驗證。

3 基于模型的系統測試關鍵要素

3.1 傳統測試在技術層面的表現

隨著航空裝備復雜度量級的不斷躍升，傳統基于文本的測試面臨越來越大的挑戰，該測試在技術層面主要表現為以下幾個方面：

（1）基于自然語言描述的文檔一致性差，導致溝通效率低且容易出現歧義；

（2）自然語言容易陷入模糊描述，導致難以保證描述的準確性；

（3）文本描述的元素之間無法實現追溯分析，當上游出現變更時難以對影響進行準確評估[4]；

（4）基于文本的方案無法與數字化模型直接關聯；

（5）基于文本的測試需依托堆疊大量資源完成需求轉換才能實現，導致所需要的軟、硬件資源通用性差、利用率低。

3.2 傳統測試在數據管理與應用層面的表現

從設計-制造協同及裝備全壽命周期管理與維護角度出發，傳統的測試體系在數據管理與應用層面存在以下短板：

（1）基于文本的測試在需求分析、測試架構設計過程中無法直接應用基于模型的系統工程設計成果，阻斷了設計-制造測試過程數據的雙向流動；

（2）不同測試系統間難以實現設備、功能和數據的互聯與綜合；

（3）文本描述對硬件資源的約束導致難以實現測試功能與硬件資源解耦合，隨著被測對象復雜程度提高，對硬件資源的依賴程度隨之加大；

（4）難以實現不同系統測試數據的標準化與普適化。

基于文本的測試技術和數據管理瓶頸見圖2。

圖2 基于文本的測試瓶頸

綜上所述，基于文本的系統測試因其固有缺陷，難以適應航空裝備設計-制造協同的統一數據源、數據管理維護以及測試高效能要求。另外，系統、整機測試作為綜合性、復雜度高的研制環節，也成為了制造企業數字化轉型過程的一個關鍵節點。因此，需著重研究如何實現基于模型驅動的數字化測試體系轉變。

3.3 實現測試轉型的核心要素

綜合分析系統測試技術特征與基于模型的系統工程架構和運行特性，為實現由基于文本的系統測試轉變為基于模型驅動的數字化測試體系，需關注以下幾個核心要素：

3.3.1 建立統一的工具集

在MBSE 統一方法論基礎上，構建滿足不同設備、系統仿真測試需求的工具集，對于不同仿真工具，以實現數據自由交換為目標，建立以統一數據源為核心的開放式數據管理體系。

3.3.2 貫徹基于模型的測試系統正向設計理念

在測試系統設計過程中，以實現測試功能為導向，綜合運用MBSE 工具，自頂向下開展設計需求分析，自底向上開展功能仿真實現、邏輯和邊界條件設計，形成完備的仿真模型和環境。

3.3.3 模型設計、運行與維護

為構建完整的MBSE 測試生態體系，在承接上游模型開發成果的基礎上，測試系統開發人員應能夠運用統一的工具集，針對測試模型與環境模型開展設計、運行維護與數據分析和管理，從而形成完備的仿真測試能力。

3.3.4 打通仿真軟件與物理測試系統之間的數據壁壘

為實現在仿真模型中驅動測試系統與被測設備，并構建硬件在環和虛實映射的系統測試體系，需實現測試模型與硬件測試系統之間的數據流動，一方面，作為測試載體的模型，其仿真結果應能夠按照測試流程要求加載到測試設備進而驅動被測系統；另一方面，模型應能夠接收測試系統采集的被測系統運行參數，并根據模型約束條件進行自適應調整與激勵。

3.3.5 實現設計-制造測試數據綜合與數據閉環

航空裝備制造測試階段作為基于模型的設計RFLP 過程中系統/整機設計符合性驗證的關鍵環節，需建立面向設計模型的數據反饋機制，同時依托裝備制造階段測試數據與實物的高度符合性，通過基于模型的系統和整機測試，獲得被測對象更為精準的測試結果，實現對設計模型參數、狀態更為細致的反饋，進一步優化設計模型，同時從更為宏觀的層面實現數字孿生測試，進一步提升系統測試深度與效能。系統中各要素結構見圖3。

圖3 基于模型的數字化測試體系轉變要素

4 應用優勢

系統和整機測試是航空裝備研制過程中數據集中產生、匯聚、分析和管理的環節，相關數據蘊含裝備設計與制造符合性核心信息，通過基于模型的系統工程，構建面向功能實現、具備高度靈活性、多模態以及虛實結合的“場景+數據”測試系統，能夠在飛機制造測試階段對系統和整機的功能和性能分別進行設計和制造符合性檢查。通過比對模型仿真與實物測試結果，打造面向設計-制造協同的數字孿生測試系統和多專業、多層次聯合仿真制造測試體系，能夠實現對系統和整機的虛實映射測試、故障診斷、模型試飛、遠程維保等功能。同時，以仿真工具系列化、測試硬件資源通用化與測試數據標準化為切入點，打造面向數據的測試、驗證與質保體系，能夠突破傳統飛機測試模式，提升制造階段的測試深度、測試質量和數字化水平，實現航空裝備制造企業的數字化轉型。

5 結語

隨著計算機技術和軟件技術的不斷發展，基于模型的系統工程作為一種較為成熟的系統工程方法，在復雜航空裝備設計-制造領域展現出強大的適應性與生命力，通過構建面向制造測試階段的仿真測試體系，實現從測試需求分析、方案設計、模型仿真到虛實映射測試、系統與整機完整測試、測試數據分析和管理以及測試數據與模型互動等全流程、全要素的信息綜合與數據綜合，為航空裝備研制及全生命周期保障提供了數字化的方法論與工具集，同時也為航空裝備制造企業數字化轉型提供了方向。