作者：郭宇  臧睿  周璐莎  王佳川  葉祖趙   | 來源：科技導(dǎo)報(bào)

在系統(tǒng)工程初期階段，系統(tǒng)產(chǎn)生的信息均以文檔形式描述和記錄。但是隨著系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜程度的不斷提高，基于文檔的系統(tǒng)工程面臨的困難越來越突出，如信息表示不準(zhǔn)確造成歧義、難以從海量文檔中查找所需信息、無法與其他工程領(lǐng)域的設(shè)計(jì)相銜接（如軟件、機(jī)械、電子等）。于是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）應(yīng)運(yùn)而生，這也是未來系統(tǒng)工程發(fā)展的必然趨勢(shì)。

MBSE基本概念

國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（International Council of Systems Engineering，INCOSE）在 2007 年提出了基于模型的系統(tǒng)工程，它是系統(tǒng)工程領(lǐng)域發(fā)展的一種基于模型表達(dá)的方法。一方面，MBSE 通過標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言構(gòu)建需求模型、功能模型、架構(gòu)模型，實(shí)現(xiàn)需求、功能到物理架構(gòu)的分解和分配；另一方面，MBSE通過模型執(zhí)行實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求和功能邏輯的確認(rèn)和驗(yàn)證，并驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、測(cè)試、綜合、驗(yàn)證和確認(rèn)環(huán)節(jié)。

MBSE的優(yōu)勢(shì)

相對(duì)基于文檔的系統(tǒng)工程方法，MBSE的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下 4個(gè)方面：（1）信息表達(dá)唯一性。系統(tǒng)模型具有直觀、準(zhǔn)確唯一、結(jié)構(gòu)化的優(yōu)點(diǎn)，可以準(zhǔn)確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)的各個(gè)方面，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部的各個(gè)細(xì)節(jié)形成統(tǒng)一的理解。（2）一體化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)模型提供了一個(gè)覆蓋全生命周期的完整的、信息一致且可追溯的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，避免各組成部分間的設(shè)計(jì)沖突，降低風(fēng)險(xiǎn)。（3）知識(shí)積累和沉淀。成熟型號(hào)的知識(shí)是以系統(tǒng)模型的形式表示和存儲(chǔ)的，便于捕獲、查詢、理解和重用，而且重用的級(jí)別可以大幅度提高。（4）早期全系統(tǒng)仿真。利用系統(tǒng)建模語言及支持軟件，可以建立動(dòng)態(tài)可執(zhí)行的系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行全系統(tǒng)仿真、隨時(shí)仿真和全周期仿真，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的問題并加以修改。

MBSE 過程最終的輸出是一個(gè)可重用的系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型。MBSE的落地實(shí)施依賴于3個(gè)方面：建模語言、建模工具和方法論。

系統(tǒng)建模語言SysML

為了支持 MBSE，INCOSE 和對(duì)象管理組織（Object Management Group，OMG）聯(lián)合提出一種通用的針對(duì)系統(tǒng)工程應(yīng)用的“標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語言”SysML（Systems Modeling Language），它可以支持系統(tǒng)工程應(yīng)用的多領(lǐng)域系統(tǒng)，包含硬件、軟件、信息等系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能描述及系統(tǒng)驗(yàn)證等。

建模工具

建模工具是利用SysML實(shí)現(xiàn)MBSE的關(guān)鍵，業(yè)界主流建模工具包括Rhapsody、CORE等，建模工具廠商結(jié)合各自對(duì)MBSE的不同理解，開發(fā)出各具特色的建模工具。

IBM Rational Rhapsody產(chǎn)品系列是一個(gè)協(xié)作設(shè)計(jì)和開發(fā)環(huán)境，以分析需求、在開發(fā)生命周期的早期優(yōu)化設(shè)計(jì)決策和驗(yàn)證功能、執(zhí)行設(shè)計(jì)復(fù)審并實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量創(chuàng)新產(chǎn)品的自動(dòng)交付；Modelio是由法國(guó)Modeliosoft公司開發(fā)的一款提供分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)環(huán)境的建模工具，其開發(fā)環(huán)境可以整合到整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)生命周期中并幫助管理復(fù)雜性；CORE是Vitech公司為實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)建模方法論的建模工具，以需求分析、功能/行為分析、架構(gòu)綜合、設(shè)計(jì)確認(rèn)和驗(yàn)證這 4 個(gè)系統(tǒng)工程活動(dòng)為基礎(chǔ)，注重實(shí)用性；Enterprise Architect是Sparx Systems公司開發(fā)的產(chǎn)品，覆蓋了系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)周期，可以進(jìn)行用例分析、場(chǎng)景分析、狀態(tài)與模式分析，支持雙向工程（RoundTrip-Engineering）。

各主要建模軟件對(duì)比見表1，從工具應(yīng)用情況可以看出航空航天行業(yè)國(guó)內(nèi)以Rhapsody為主，國(guó)外以CORE為主。

表1  主要建模工具對(duì)比

方法論

MBSE問世之后，國(guó)內(nèi)外圍繞這一思想核心在不同系統(tǒng)、不同建模背景下進(jìn)行實(shí)踐，總結(jié)出諸多具有國(guó)際影響的方法論，這些方法論規(guī)定了系統(tǒng)開發(fā)過程所包含的模型構(gòu)建內(nèi)容，以及各個(gè)階段模型所產(chǎn)生的視圖產(chǎn)品和模型視圖的時(shí)序關(guān)系，規(guī)定了圖形的使用、模型的組織結(jié)構(gòu)等（圖1）。

圖1  MBSE實(shí)施的基本方法

面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)工程方法（object-oriented systems engineering, OOSEM）集成使用OMG SysML標(biāo)準(zhǔn)，包括分析定義系統(tǒng)需求、定義邏輯體系結(jié)構(gòu)、合成候選分配架構(gòu)、優(yōu)化和評(píng)估可選方案、驗(yàn)證和確認(rèn)系統(tǒng)等開發(fā)活動(dòng)；Harmony-SE采用了“服務(wù)請(qǐng)求驅(qū)動(dòng)”的系統(tǒng)建模方法，使用 SysML 建模標(biāo)準(zhǔn)，利用 SysML 結(jié)構(gòu)視圖中的block作為描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本單元，利用活動(dòng)圖、狀態(tài)圖、序列圖描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成部分的行為；Vitech MBSE 方法采用 MBSE 的系統(tǒng)定義語言（system definition language，SDL）管理模型產(chǎn)品；state analysis以目標(biāo)為導(dǎo)向的閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)，是時(shí)間區(qū)間上狀態(tài)變量的約束。

國(guó)外在MBSE的方法及應(yīng)用方面開展了廣泛研究與實(shí)踐：空客公司在A350系列飛機(jī)的開發(fā)中全面采用MBSE，在飛機(jī)研制中逐層細(xì)化需求并進(jìn)行功能分析和設(shè)計(jì)綜合；洛克希德·馬丁公司采用MBSE統(tǒng)一進(jìn)行需求管理和系統(tǒng)架構(gòu)模型，并向后延伸到機(jī)械、電子設(shè)備以及軟件等的設(shè)計(jì)與分析之中；羅·羅公司依據(jù) INCOSE系統(tǒng)工程手冊(cè)制定了其自身的系統(tǒng)工程能力框架，實(shí)現(xiàn)了從航空動(dòng)力系統(tǒng)到子系統(tǒng)到部件的系統(tǒng)工程迭代；波音公司構(gòu)建了以任務(wù)和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)為核心的、覆蓋產(chǎn)品全生命周期的MBSE過程，從運(yùn)行概念到需求到設(shè)計(jì)到生產(chǎn)。

近年來，中國(guó)航空航天領(lǐng)域也開展了MBSE的應(yīng)用研究，中航工業(yè)西安航空計(jì)算研究所利用基于模型的系統(tǒng)工程需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)方法在某型動(dòng)力電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中得到了初步應(yīng)用；中國(guó)空間技術(shù)研究院載人航天總體部將 MBSE方法應(yīng)用于載人飛船交會(huì)對(duì)接任務(wù)中，提高了設(shè)計(jì)效率、改善了人員溝通、進(jìn)一步降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)；中航工業(yè)飛行自動(dòng)控制研究所對(duì)MBSE流程進(jìn)行了結(jié)構(gòu)化定義，明確了系統(tǒng)工程活動(dòng)、輸入輸出及相應(yīng)的崗位角色，并在飛控、慣導(dǎo)等復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)過程中進(jìn)行了 MBSE方法論與工具的實(shí)踐；中航工業(yè)第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院采用 Rational DOORS進(jìn)行需求管理，并按照 Harmony-SE 流程，采用Rhapsody工具完成空中交通防撞系統(tǒng)以及航電系統(tǒng)的系統(tǒng)分析、設(shè)計(jì)與建模。

一般地，航空發(fā)動(dòng)機(jī)3個(gè)主要用例場(chǎng)景分別為發(fā)動(dòng)機(jī)裝配、運(yùn)行和維護(hù)，如圖2所示。其中，裝配場(chǎng)景包括發(fā)動(dòng)機(jī)制造組裝、物料清單（BOM）跟蹤確認(rèn)、運(yùn)輸、接收等子場(chǎng)景；運(yùn)行場(chǎng)景包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、運(yùn)行、停車、在翼運(yùn)行、試車臺(tái)運(yùn)行等子場(chǎng)景；維護(hù)場(chǎng)景包括發(fā)動(dòng)機(jī)健康數(shù)據(jù)分析、維修和替換組件、上載全權(quán)數(shù)字電子發(fā)動(dòng)機(jī)操給機(jī)構(gòu)（FADEC）數(shù)據(jù)等子場(chǎng)景。

圖2  航空發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期功能場(chǎng)景分解

本文主要聚焦航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)場(chǎng)景，將MBSE應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)過程。采用SysML語言，在Rhapsody軟件上進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)的功能分析和系統(tǒng)建模，從而探索適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能建模的解決方案。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)過程包含起動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、點(diǎn)火、供油、關(guān)閉點(diǎn)火、進(jìn)入慢車等主活動(dòng)及起動(dòng)故障處理等其他活動(dòng)。通過用例圖、活動(dòng)圖、時(shí)序圖、狀態(tài)機(jī)圖等模型對(duì)地面起動(dòng)過程進(jìn)行建模分析，發(fā)現(xiàn)并完善了自然語言在起動(dòng)控制邏輯描述方面存在的不足。最后利用狀態(tài)機(jī)進(jìn)行了發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)模型仿真，對(duì)地面起動(dòng)控制邏輯進(jìn)行了驗(yàn)證。

在利用活動(dòng)圖梳理發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)功能流過程中，發(fā)現(xiàn)使用自然語言描述復(fù)雜系統(tǒng)時(shí)存在以下 2 類問題。

1）文字表述存在二義性。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間的描述“發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在 t時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)”存在歧義。對(duì)于“發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)在 t時(shí)間內(nèi)完成起動(dòng)”的理解，設(shè)計(jì)方案想要描述的是“起動(dòng)機(jī)帶轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)為t，否則需要關(guān)閉起動(dòng)機(jī)”；設(shè)計(jì)人員的理解為“若發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間超過 t，則需要終止發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)全過程”，兩者存在理解分歧。

2）存在功能邏輯缺失。例如，方案中描述“當(dāng)高壓相對(duì)物理轉(zhuǎn)速達(dá)到一定速度時(shí)，開始供油”，若高壓相對(duì)物理轉(zhuǎn)速未達(dá)到限定速度，發(fā)動(dòng)機(jī)需要進(jìn)行的動(dòng)作和所處狀態(tài)未明確。

通常，使用類似 Visio的圖形設(shè)計(jì)工具輔助描述設(shè)計(jì)信息。然而，由于缺乏統(tǒng)一的語義規(guī)范和信息關(guān)聯(lián)機(jī)制，無法對(duì)活動(dòng)流程中的并行、引用、延時(shí)等特殊狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確唯一的描述，這類圖形信息就相當(dāng)于圖形化的自然語言。在描述發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間控制邏輯中，設(shè)計(jì)人員會(huì)用一個(gè)框圖表示，如圖3紅框所示。如果想要描述更加詳細(xì)的控制邏輯，只能用更加復(fù)雜的活動(dòng)流圖代替之前的框圖，從而導(dǎo)致整個(gè)活動(dòng)流缺乏層級(jí)，邏輯混亂。如此一來，既不利于設(shè)計(jì)人員理解設(shè)計(jì)方案，也會(huì)造成不同人員的理解偏差，帶來信息二義性。

圖3  航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間控制Visio

在MBSE方法論中，通過SysML中的標(biāo)準(zhǔn)模型元素來準(zhǔn)確表達(dá)設(shè)計(jì)信息，得到如圖4所示的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間的活動(dòng)圖，其中紅色區(qū)域表示發(fā)動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)的活動(dòng)流，黑色區(qū)域表示同時(shí)進(jìn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間控制活動(dòng)流。其中黑色區(qū)域所表示的活動(dòng)流采用子活動(dòng)圖的方式表達(dá)，子活動(dòng)圖的具體信息如圖5所示。

圖4  航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間控制活動(dòng)

圖5  航空發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間控制子活動(dòng)

SysML模型中的時(shí)序圖是根據(jù)活動(dòng)圖所描述的行為邏輯，建立多個(gè)對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)協(xié)作和行為順序關(guān)系以及不同對(duì)象之間的消息傳遞，明確了起動(dòng)過程中的系統(tǒng)與外部角色 之間的交互關(guān)系，從而確定系統(tǒng)與外部的接口和端口關(guān)系。

狀態(tài)機(jī)通過分析和確認(rèn)每個(gè)對(duì)象所經(jīng)歷的狀態(tài)序列、在特定狀態(tài)下的行為、引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的條件、因狀態(tài)轉(zhuǎn)移而伴隨的動(dòng)作、以及對(duì)異常做出的響應(yīng)等內(nèi)容，確立系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)的完整動(dòng)態(tài)行為。發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)過程主要包含以下狀態(tài)：等待駕駛艙指令狀態(tài)、起動(dòng)狀態(tài)、故障處理狀態(tài)、慢車狀態(tài)和關(guān)閉起動(dòng)狀態(tài)。根據(jù)不同的判斷條件和觸發(fā)事件，發(fā)動(dòng)機(jī)處于其中某一個(gè)狀態(tài)，并且可以在不同狀態(tài)之間進(jìn)行切換。

Rhapsody提供了通過界面交互方式執(zhí)行狀態(tài)機(jī)的模式，通過給定的 Web界面，可以通過參數(shù)注入的方式輸入測(cè)試用例，實(shí)現(xiàn)不同場(chǎng)景、不同狀態(tài)之間的仿真測(cè)試，從而驗(yàn)證功能邏輯完備性和需求滿足性。

通過傳遞參數(shù)，狀態(tài)機(jī)圖實(shí)現(xiàn)了地面正常起動(dòng)、起動(dòng)超溫、余熱超限、滑油壓力低等10余種測(cè)試用例的仿真測(cè)試。以滑油壓力低為例，表2列出發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)過程發(fā)生滑油壓力低時(shí)的參數(shù)注入信息，當(dāng)對(duì)狀態(tài)機(jī)注入以下參數(shù)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入地面起動(dòng)滑油壓力低故障處理狀態(tài)，驗(yàn)證了故障處理控制邏輯的正確性，如圖6所示。

表2  航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)滑油壓力低測(cè)試用例參數(shù)

圖6  航空發(fā)動(dòng)機(jī)地面起動(dòng)滑油壓力低狀態(tài)機(jī)仿真

由于 SysML 語言來源于 UML 語言，擅長(zhǎng)對(duì)離散事件驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)，即發(fā)動(dòng)機(jī)控制功能邏輯描述和仿真，但對(duì)于真實(shí)連續(xù)運(yùn)行的物理系統(tǒng)的描述仍存在局限性，有待進(jìn)一步的研究。

從系統(tǒng)建模語言、建模工具和方法論 3個(gè)方面詳細(xì)介紹了基于模型的系統(tǒng)工程相關(guān)理論知識(shí)，并且通過不同角度對(duì)不同方法、工具進(jìn)行了對(duì)比，為尋找適合航空發(fā)動(dòng)機(jī)功能建模的解決方案進(jìn)行了初步探索。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)起動(dòng)場(chǎng)景功能建模實(shí)踐中，選用Rhapsody 建模工具，基于 Harmony-SE 方法論開展 SysML 建模，詳細(xì)描述了利用活動(dòng)圖、時(shí)序圖描述復(fù)雜系統(tǒng)交互活動(dòng)的過程，解決了自然語言無法描述復(fù)雜活動(dòng)的問題；利用狀態(tài)機(jī)圖通過參數(shù)注入方式進(jìn)行起動(dòng)功能邏輯的仿真和驗(yàn)證，為后續(xù)航空發(fā)動(dòng)機(jī)全系統(tǒng)建模和功能邏輯仿真提供了解決思路。

在未來的研究中，將繼續(xù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)計(jì)或者其他子系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)中探索和實(shí)踐 MBSE方法，制定統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)與模型管理規(guī)范，形成企業(yè)自主的MBSE流程和工程手冊(cè)。另外，嘗試將MBSE向航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)建模仿真推廣，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的仿真驗(yàn)證和綜合優(yōu)化，為早期的設(shè)計(jì)方案測(cè)試和驗(yàn)證提供技術(shù)支持。

MBSE 通過構(gòu)建以模型為中心的可追溯信息集成框架，利用模型的不斷迭代貫穿整個(gè)產(chǎn)品研發(fā)和后續(xù)生命周期全過程。然而現(xiàn)階段 MBSE在建模標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范統(tǒng)一、建模方法的推廣和應(yīng)用、上下游模型的數(shù)據(jù)傳遞、模型與仿真分析工具的集成等方面還有待進(jìn)一步的提升和發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著 MBSE工程成熟度的不斷提升和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大和深入，MBSE將會(huì)形成一套體系完備的開發(fā)流程和標(biāo)準(zhǔn)，為復(fù)雜產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的平臺(tái)支撐。