基于模型的綜合電子系統(tǒng)應(yīng)用探索

鄭小鵬，王小輝，陳春燕，池元成

（中國運載火箭技術(shù)研究院研究發(fā)展部，北京，100076）

0 引言

目前，綜合電子系統(tǒng)研發(fā)流程主要以基于文檔的傳統(tǒng)形式（Traditional Systems Engineering，TSE）進行開發(fā)與管理，該方法對于需求的描述存在不確定性，各類需求之間沒有建立追溯關(guān)系，信息傳遞過程中存在二義性，導(dǎo)致這一方法存在開發(fā)周期長、協(xié)同開發(fā)困難、無法復(fù)用等諸多問題。隨著系統(tǒng)規(guī)模擴大、研制周期縮短、性能指標(biāo)要求提升，研制流程管理的難度大幅度提升［1］。為解決上述問題，本文引進一種全新的數(shù)字化研發(fā)模式—基于模型的系統(tǒng)工程(Model－Based Systems Engineering，MBSE)方法，結(jié)合實際，探索了MBSE應(yīng)用于綜合電子系統(tǒng)設(shè)計、仿真、驗證與評估的方案、流程、方法，提出了實施策略，為后續(xù)的進一步應(yīng)用提供了參考。

1 綜合電子系統(tǒng)開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)

隨著微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子系統(tǒng)進入一個嶄新的時代—模塊化高度綜合集成（IMA）［2］，傳統(tǒng)的獨立電子裝備不再存在，將系統(tǒng)作為一個整體進行統(tǒng)一設(shè)計，采用可重配通用模塊（LRM）的靈活組合構(gòu)建復(fù)雜的電子系統(tǒng)，滿足不同類型的任務(wù)需求，在降低系統(tǒng)質(zhì)量/體積/功耗/成本的同時，大幅提升了系統(tǒng)的可用性、靈活性、成功率［3］。但是系統(tǒng)組成要素多、內(nèi)部交聯(lián)復(fù)雜、可靠性要求高、研制周期短且異地多級承包，而目前傳統(tǒng)開發(fā)流程采用基于文檔模式，各個階段信息多是以文本的形式來記錄和傳遞，如論證報告、方案報告、設(shè)計報告、任務(wù)書、設(shè)計要求、試驗報告等，無法復(fù)用且協(xié)同開發(fā)困難，很難滿足系統(tǒng)設(shè)計需要，容易在傳遞信息的過程中發(fā)生理解錯誤，導(dǎo)致大量的重復(fù)勞動，不但大大降低了工作效率，而且很難保證設(shè)計的一致性；同時對于需求的描述存在不確定性，難以實現(xiàn)變更追溯，開發(fā)早期引入的錯誤由于缺乏良好的驗證手段通常很難發(fā)現(xiàn)，難以保證設(shè)計的正確性，從而導(dǎo)致后期大量的返工和維護成本。且隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大、復(fù)雜程度的提高、性能指標(biāo)的提升、參研單位的增加、研制周期的縮短，傳統(tǒng)的“制造、試驗、再制造、再試驗”的研發(fā)模式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足新一代綜合電子系統(tǒng)要求，亟需采用新的設(shè)計方法，解決這一問題和矛盾，建立完善的系統(tǒng)工程設(shè)計開發(fā)流程。

圖1 基于文檔的傳統(tǒng)系統(tǒng)工程

2 MBSE設(shè)計方法

2.1 MBSE概念與內(nèi)涵

隨著工程系統(tǒng)越來越復(fù)雜，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程（Traditional Systems Engineering，TSE）越來越難以應(yīng)對使命，同時以模型化為代表的信息技術(shù)也在快速發(fā)展［4］，因此在需求牽引和技術(shù)推動下，MBSE應(yīng)運而生。2007年，國際系統(tǒng)工程學(xué)會（INCOSE）在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中，正式提出了定義：MBSE是建模方法的形式化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認(rèn)等活動，這些活動從概念性設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計開發(fā)以及后來的所有壽命周期階段［5］，并提出了MBSE的發(fā)展路線圖。MBSE實施的目標(biāo)是建立健全要素完整的、面向發(fā)展的基于模型的系統(tǒng)工程框架，通過該框架支撐業(yè)務(wù)全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展［6］。

圖2 基于模型的系統(tǒng)工程

圖3 MBSE發(fā)展路線圖

2.2 國內(nèi)外發(fā)展情況

波音、空客、洛馬、柯林斯、GE等巨頭在新一代航空航天裝備研制過程中，全面采用MBSE的系統(tǒng)工程設(shè)計理念，減少迭代周期，縮減研制經(jīng)費，提升綜合性能及研制水平！波音在新型飛機驗證過程中，全面采用MBSE的系統(tǒng)工程理念，實現(xiàn)從需求設(shè)計逐層分解到功能設(shè)計以及方案設(shè)計的自頂向下的分解過程，包括頂層系統(tǒng)方案快速設(shè)計和驗證、產(chǎn)品研制過程的設(shè)計和確認(rèn)以及運維過程的系統(tǒng)設(shè)計確認(rèn)過程，同時也集成了ICD、設(shè)計規(guī)范、DODAF頂層戰(zhàn)場仿真、功能/架構(gòu)的仿真確認(rèn)以及電子電氣系統(tǒng)驗證過程。

國內(nèi)中航工業(yè)正將MBSE上升為集團發(fā)展戰(zhàn)略，采用自上而下的推廣模式，建立以先進數(shù)字化工程平臺為基礎(chǔ)，構(gòu)建不同層次的仿真模型，支撐協(xié)同設(shè)計，使仿真知識、經(jīng)驗以模型化的方式積累、固化和驗證，建立了流程全線貫通、數(shù)據(jù)高度融合、平臺無縫集成的MBSE型號工程應(yīng)用體系并實現(xiàn)型號應(yīng)用，實現(xiàn)研發(fā)體系的跨越升級［7］。

圖4 中航工業(yè)研發(fā)體系示意圖

2.3 MBSE優(yōu)勢

相對于傳統(tǒng)基于文檔的TSE方法，MBSE采用模型“驅(qū)動”的信息傳遞方式，信息動態(tài)、全息無歧義；采用基于模型的多物理場聯(lián)合建模仿真，工作平臺從傳統(tǒng)的幾何樣機升級到覆蓋全系統(tǒng)的數(shù)字樣機、功能樣機和性能樣機；采用基于模型的多層級小循環(huán)迭代的“事前”多專業(yè)聯(lián)合仿真驗證，實現(xiàn)型號研制的“全快好省”，（1）全：通過數(shù)字化設(shè)計、虛擬化驗證、科學(xué)化評估、一體化生產(chǎn)等手段貫穿全壽命、全流程、全系統(tǒng)、全要素！（2）快：系統(tǒng)的需求確認(rèn)、方案優(yōu)化以及驗證評估全過程可快速迭代相互驗證，加快研制；（3）省：模型復(fù)用貫穿從需求至評估的全過程，大幅縮減系統(tǒng)迭代時間，節(jié)省方案優(yōu)化成本；（4）好：設(shè)計的各個階段均可開展基于模型的多專業(yè)聯(lián)合仿真驗證，避免“過設(shè)計”和“欠設(shè)計”。最終加快設(shè)計進程，保證設(shè)計質(zhì)量，減少研制錯誤，減少迭代周期，節(jié)約研制經(jīng)費，提升綜合性能［8,9］。

表1 MBSE與TSE的對比

仿真建模 單專業(yè)多物理場場仿真 多專業(yè)多物理場場仿真工作平臺 幾何樣機 數(shù)字樣機→功能樣機→性能樣機試驗驗證 基于實物的事后驗證 基于模型的事前聯(lián)合仿真驗證

3 MBSE方法的應(yīng)用

為適應(yīng)日益復(fù)雜的先進綜合電子系統(tǒng)研發(fā)需求，亟需研究基于MBSE方法的系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用，建立跨領(lǐng)域多學(xué)科的研發(fā)體系，以模型為驅(qū)動，將需求分析（R）、功能設(shè)計（F）、邏輯設(shè)計（L）、詳細(xì)設(shè)計（P）集成到統(tǒng)一平臺，通過不同層次仿真模型的構(gòu)建、不同專業(yè)數(shù)據(jù)的協(xié)同共享及多學(xué)科的虛擬集成驗證，完成從需求分析到物理實物到驗證確認(rèn)的全流程綜合電子設(shè)計、仿真、驗證與評估，實現(xiàn)傳統(tǒng)基于文檔的設(shè)計模式向基于模型的研制模式的轉(zhuǎn)變，提高系統(tǒng)開發(fā)效率，降低研制成本，形成自頂向下的綜合電子設(shè)計研發(fā)流程，實現(xiàn)開發(fā)全過程的可驗證、可追溯。

3.1 需求分析（R）

需求分析的目的是將采集到的用戶需求信息（如飛行控制、任務(wù)管理等）進行梳理和分類，篩選出其中的功能需求（供電、時序、火工品控制等），根據(jù)不同的功能需求建立相應(yīng)的用例，通過形式化的模型語言Rhapsody創(chuàng)建用例與需求庫中功能需求的鏈接關(guān)系，以保證模型對需求的追溯性［10］，最后通過有限狀態(tài)機的方式對形式化模型描述的需求進行仿真驗證，驗證需求描述的正確性，檢測出需求是否有矛盾，確保需求和用例被100%覆蓋。

圖5 基于MBSE的綜合電子設(shè)計仿真驗證與評估開發(fā)流程

圖6 需求分析流程示意圖

3.2 功能設(shè)計（F）

功能設(shè)計階段目的是分析系統(tǒng)與外部的信息交換模式和系統(tǒng)自身的運行狀態(tài)，無需關(guān)心系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，亦稱為黑盒設(shè)計。基于需求分析建立的系統(tǒng)模型，針對需求分析階段輸出的系統(tǒng)用例圖進行逐個分析，基于SysML工程建模語言，建立能夠描述系統(tǒng)功能及其相關(guān)元素的一系列模型［11］，主要涵蓋以下內(nèi)容：（1）針對每個用例進行功能分析，通過活動圖描述系統(tǒng)功能用例的活動；（2）根據(jù)活動圖推導(dǎo)系統(tǒng)當(dāng)前用例的運行場景和交互的數(shù)據(jù)流，并以時序圖描述；（3）建立系統(tǒng)內(nèi)部塊圖簡單描述系統(tǒng)與外部角色的關(guān)聯(lián)；（4）以狀態(tài)圖描述系統(tǒng)功能塊、外部角色的狀態(tài)遷移；（5）系統(tǒng)單個功能用例的時序驗證和狀態(tài)驗證。

圖7 功能分析示意圖

3.3 邏輯設(shè)計（L）

邏輯設(shè)計階段目的是確定系統(tǒng)概念原理可行，確定系統(tǒng)架構(gòu)，輸出子系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范。在《INCOSE系統(tǒng)工程手冊》中，系統(tǒng)架構(gòu)被定義為“為了滿足系統(tǒng)需求的元素及子系統(tǒng)的布置和它們的功能分配［12］”，系統(tǒng)架構(gòu)分為邏輯架構(gòu)、物理架構(gòu)。

3.3.1 邏輯架構(gòu)

邏輯架構(gòu)定義系統(tǒng)將提供的能力、服務(wù)和系統(tǒng)將執(zhí)行的任務(wù)，同時描述功能之間通信的消息以及傳遞數(shù)據(jù)，以支持系統(tǒng)在整個生命周期的邏輯運行，作為系統(tǒng)需求和物理架構(gòu)的中間媒介層，有助于管理需求和技術(shù)更改的影響，如當(dāng)執(zhí)行驅(qū)動確定的性能需求改變時，伺服執(zhí)行機構(gòu)仍將是邏輯設(shè)計的一部分，但是具體的技術(shù)選擇可能改變。邏輯架構(gòu)設(shè)計過程需要確定系統(tǒng)架構(gòu)方案，并基于統(tǒng)一架構(gòu)對每個用例按子系統(tǒng)進行功能分解與分配，完成子系統(tǒng)級的功能流程定義、識別子系統(tǒng)與外界及各子系統(tǒng)間的交互、完成各子系統(tǒng)的狀態(tài)行為定義并通過模型的執(zhí)行對需求進行驗證、確認(rèn)，最后對功能用例進行集成（集成順序、方式、接口等），這一過程稱為白盒分析，基于Harmony方法論和UML/SysML建模思想，邏輯架構(gòu)模型包括活動圖、順序圖、狀態(tài)機等，建模過程和方法同功能分析類似。

圖8 基于Harmony的邏輯架構(gòu)設(shè)計流程

3.3.2 物理架構(gòu)

物理架構(gòu)是一組執(zhí)行系統(tǒng)功能的系統(tǒng)元素如硬件、軟件，物理架構(gòu)描述了系統(tǒng)的物理組件和它們之間的相互連接關(guān)系，還描述功能邏輯到物理組件的分配。物理架構(gòu)的分析流程為：（1）確定物理要素或劃分（硬件資源和軟件資源）；（2）將功能架構(gòu)分解到這些物理要素（哪些用硬件實現(xiàn)、哪些用于軟件實現(xiàn)）；（3）建立系統(tǒng)物理要素間的接口（軟硬件之間的信息接口）。有了物理架構(gòu)模型之后，可快速進行系統(tǒng)層面的仿真分析，得到：CPU利用率、RAM/ROM/FLASH利用率、網(wǎng)絡(luò)利用率以及線束長度、重量等，并針對不同的物理架構(gòu)，進行多方案的設(shè)計對比，從中優(yōu)化出成本和性能等多個指標(biāo)最佳的架構(gòu)方案。物理架構(gòu)設(shè)計完成后，能夠形成電氣原理圖作為后續(xù)詳細(xì)設(shè)計的輸入，通過物理架構(gòu)向上接Rhapsody的功能設(shè)計，向下提供系統(tǒng)硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)、電氣的設(shè)計規(guī)范，有效的將功能設(shè)計與詳細(xì)設(shè)計關(guān)聯(lián)起來。

3.4 詳細(xì)設(shè)計（P）

詳細(xì)設(shè)計階段從系統(tǒng)總體角度方面，根據(jù)確定的物理架構(gòu)，詳細(xì) 開 展 ICD（Interface Control Document）設(shè)計、數(shù)字功能樣機（Digital Function Mock-up）設(shè)計、硬件選型設(shè)計、軟件架構(gòu)設(shè)計、關(guān)鍵性能指標(biāo)的仿真分析（如散熱仿真分析、EMC仿真分析、信號完整性仿真分析）以及多物理場協(xié)同仿真；從子系統(tǒng)的角度方面，根據(jù)邏輯設(shè)計輸出的子系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，開展子系統(tǒng)級新一輪的R-F-L-P設(shè)計流程，輸出子系統(tǒng)產(chǎn)品，以集成至大系統(tǒng)內(nèi)部。

圖9 物理架構(gòu)設(shè)計示意圖

3.4.1 lCD設(shè)計

圖10 ICD設(shè)計評估流程示意圖

ICD接口控制文件作為系統(tǒng)設(shè)計的頂層文件補充，主要描述系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)接口定義規(guī)范，是對綜合電子系統(tǒng)性能優(yōu)劣評價的重要依據(jù)，包括ICD數(shù)據(jù)庫的建立、管理以及ICD文檔的生成。ICD設(shè)計主要完成總線報文流的設(shè)計、信息流的仿真、設(shè)備及總線模型的建立，輸出的ICD數(shù)據(jù)文檔和相關(guān)的程序源代碼用于指導(dǎo)后續(xù)的半實物仿真、實物測試等。

3.4.2 數(shù)字功能樣機設(shè)計

數(shù)字功能樣機相比之前的幾何樣機而言，將綜合電子系統(tǒng)中功能、性能指標(biāo)通過數(shù)學(xué)模型的方式表達(dá)出來，主要包括3D幾何造型的數(shù)字樣機模型（包括幾何外形、結(jié)構(gòu)尺寸，采用Proe、CATIA建模）、運行環(huán)境模型（包括航跡或飛行環(huán)境模型）、運行工況（如飛行工況，采用Simulink建模）、控制模型/策略、被控對象物理模型（包括機電液磁熱等物理對象特性模型，可采用Modelica建模）。

3.4.3 信號和時間仿真

綜合電子信號和時間仿真包括總線負(fù)載仿真分析、端到端時間分析、信號端到端分析等內(nèi)容。導(dǎo)入ICD數(shù)據(jù)之后，自動根據(jù)ICD的數(shù)據(jù)定義快速構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停鶕?jù)總線通訊特性，系統(tǒng)分析鏈路負(fù)載占用量、子系統(tǒng)流量等，以評估總線選擇類型。為了更好的避免設(shè)計方面的延時問題，需對總線的時間特性進行建模，分析每條報文的最差響應(yīng)時間（WCRT），確定當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計和參數(shù)設(shè)計是否滿足時間約束條件。

3.4.4 多物理場協(xié)同仿真

FMI（Functional Mock-up Interface）是獨立于軟件第三方標(biāo)準(zhǔn)接口協(xié)議，任何軟件均可基于該協(xié)議開發(fā)接口，將所建立的模型封裝為FMU（Functional Mock-up Unit），實現(xiàn)與其他軟件所建立模型的交互和聯(lián)合仿真［13］。功能模型和物理模型設(shè)計完成后，選擇FMI標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議作為橋梁，利用通用標(biāo)準(zhǔn)接口實現(xiàn)功能模型和物理模型的信息交互，開展模型的匯總和聯(lián)合仿真，以此對系統(tǒng)的功能和性能進行仿真分析、驗證及優(yōu)化。

圖11 基于FMU的多物理協(xié)同仿真

圖12 系統(tǒng)集成驗證過程

3.5 集成驗證

當(dāng)綜合電子系統(tǒng)完成概念設(shè)計階段R-F-L-P全部流程，提出各子系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范，完成總體協(xié)同仿真工作后，按照自向向上的流程逐級完成系統(tǒng)集成驗證工作，從綜合電子快速原型仿真開始，基于半物理仿真的方法，采用真實產(chǎn)品逐一替換仿真模型/模擬件，增量逐步迭代式的進行系統(tǒng)集成，通過交聯(lián)試驗，不斷發(fā)現(xiàn)并定位系統(tǒng)級的問題，最終實現(xiàn)全系統(tǒng)的集成、測試與驗證，集成驗證過程中將仿真/試驗結(jié)果與需求設(shè)計關(guān)聯(lián)，以形成設(shè)計驗證的閉環(huán)。

4 結(jié)束語

本文提出了綜合電子系統(tǒng)開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)，研究了MBSE設(shè)計方法以及國內(nèi)外典型應(yīng)用情況，結(jié)合工程實際，提出了MBSE方法在飛行器綜合電子系統(tǒng)研制流程中的應(yīng)用，詳細(xì)描述了需求分析、功能設(shè)計、邏輯設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計乃至集成驗證的思路、模型的建立和分析過程，為綜合電子系統(tǒng)應(yīng)用MBSE方法進行了有益的探索。