基于模型的綜合電子系統應用探索

鄭小鵬，王小輝，陳春燕，池元成

（中國運載火箭技術研究院研究發展部，北京，100076）

0 引言

目前，綜合電子系統研發流程主要以基于文檔的傳統形式（Traditional Systems Engineering，TSE）進行開發與管理，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系，信息傳遞過程中存在二義性，導致這一方法存在開發周期長、協同開發困難、無法復用等諸多問題。隨著系統規模擴大、研制周期縮短、性能指標要求提升，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字化研發模式—基于模型的系統工程(Model－Based Systems Engineering，MBSE)方法，結合實際，探索了MBSE應用于綜合電子系統設計、仿真、驗證與評估的方案、流程、方法，提出了實施策略，為后續的進一步應用提供了參考。

1 綜合電子系統開發面臨的挑戰

隨著微電子技術的迅猛發展，電子系統進入一個嶄新的時代—模塊化高度綜合集成（IMA）［2］，傳統的獨立電子裝備不再存在，將系統作為一個整體進行統一設計，采用可重配通用模塊（LRM）的靈活組合構建復雜的電子系統，滿足不同類型的任務需求，在降低系統質量/體積/功耗/成本的同時，大幅提升了系統的可用性、靈活性、成功率［3］。但是系統組成要素多、內部交聯復雜、可靠性要求高、研制周期短且異地多級承包，而目前傳統開發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、設計報告、任務書、設計要求、試驗報告等，無法復用且協同開發困難，很難滿足系統設計需要，容易在傳遞信息的過程中發生理解錯誤，導致大量的重復勞動，不但大大降低了工作效率，而且很難保證設計的一致性；同時對于需求的描述存在不確定性，難以實現變更追溯，開發早期引入的錯誤由于缺乏良好的驗證手段通常很難發現，難以保證設計的正確性，從而導致后期大量的返工和維護成本。且隨著系統規模的擴大、復雜程度的提高、性能指標的提升、參研單位的增加、研制周期的縮短，傳統的“制造、試驗、再制造、再試驗”的研發模式已遠遠不能滿足新一代綜合電子系統要求，亟需采用新的設計方法，解決這一問題和矛盾，建立完善的系統工程設計開發流程。

圖1 基于文檔的傳統系統工程

2 MBSE設計方法

2.1 MBSE概念與內涵

隨著工程系統越來越復雜，傳統系統工程（Traditional Systems Engineering，TSE）越來越難以應對使命，同時以模型化為代表的信息技術也在快速發展［4］，因此在需求牽引和技術推動下，MBSE應運而生。2007年，國際系統工程學會（INCOSE）在《系統工程2020年愿景》中，正式提出了定義：MBSE是建模方法的形式化應用，以使建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有壽命周期階段［5］，并提出了MBSE的發展路線圖。MBSE實施的目標是建立健全要素完整的、面向發展的基于模型的系統工程框架，通過該框架支撐業務全面、協調、可持續發展［6］。

圖2 基于模型的系統工程

圖3 MBSE發展路線圖

2.2 國內外發展情況

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的系統工程設計理念，減少迭代周期，縮減研制經費，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的系統工程理念，實現從需求設計逐層分解到功能設計以及方案設計的自頂向下的分解過程，包括頂層系統方案快速設計和驗證、產品研制過程的設計和確認以及運維過程的系統設計確認過程，同時也集成了ICD、設計規范、DODAF頂層戰場仿真、功能/架構的仿真確認以及電子電氣系統驗證過程。

國內中航工業正將MBSE上升為集團發展戰略，采用自上而下的推廣模式，建立以先進數字化工程平臺為基礎，構建不同層次的仿真模型，支撐協同設計，使仿真知識、經驗以模型化的方式積累、固化和驗證，建立了流程全線貫通、數據高度融合、平臺無縫集成的MBSE型號工程應用體系并實現型號應用，實現研發體系的跨越升級［7］。

圖4 中航工業研發體系示意圖

2.3 MBSE優勢

相對于傳統基于文檔的TSE方法，MBSE采用模型“驅動”的信息傳遞方式，信息動態、全息無歧義；采用基于模型的多物理場聯合建模仿真，工作平臺從傳統的幾何樣機升級到覆蓋全系統的數字樣機、功能樣機和性能樣機；采用基于模型的多層級小循環迭代的“事前”多專業聯合仿真驗證，實現型號研制的“全快好省”，（1）全：通過數字化設計、虛擬化驗證、科學化評估、一體化生產等手段貫穿全壽命、全流程、全系統、全要素?。?）快：系統的需求確認、方案優化以及驗證評估全過程可快速迭代相互驗證，加快研制；（3）?。耗Ｐ蛷陀秘灤男枨笾猎u估的全過程，大幅縮減系統迭代時間，節省方案優化成本；（4）好：設計的各個階段均可開展基于模型的多專業聯合仿真驗證，避免“過設計”和“欠設計”。最終加快設計進程，保證設計質量，減少研制錯誤，減少迭代周期，節約研制經費，提升綜合性能［8,9］。

表1 MBSE與TSE的對比

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

3 MBSE方法的應用

為適應日益復雜的先進綜合電子系統研發需求，亟需研究基于MBSE方法的系統開發應用，建立跨領域多學科的研發體系，以模型為驅動，將需求分析（R）、功能設計（F）、邏輯設計（L）、詳細設計（P）集成到統一平臺，通過不同層次仿真模型的構建、不同專業數據的協同共享及多學科的虛擬集成驗證，完成從需求分析到物理實物到驗證確認的全流程綜合電子設計、仿真、驗證與評估，實現傳統基于文檔的設計模式向基于模型的研制模式的轉變，提高系統開發效率，降低研制成本，形成自頂向下的綜合電子設計研發流程，實現開發全過程的可驗證、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），根據不同的功能需求建立相應的用例，通過形式化的模型語言Rhapsody創建用例與需求庫中功能需求的鏈接關系，以保證模型對需求的追溯性［10］，最后通過有限狀態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的綜合電子設計仿真驗證與評估開發流程

圖6 需求分析流程示意圖

3.2 功能設計（F）

功能設計階段目的是分析系統與外部的信息交換模式和系統自身的運行狀態，無需關心系統內部結構，亦稱為黑盒設計?；谛枨蠓治鼋⒌南到y模型，針對需求分析階段輸出的系統用例圖進行逐個分析，基于SysML工程建模語言，建立能夠描述系統功能及其相關元素的一系列模型［11］，主要涵蓋以下內容：（1）針對每個用例進行功能分析，通過活動圖描述系統功能用例的活動；（2）根據活動圖推導系統當前用例的運行場景和交互的數據流，并以時序圖描述；（3）建立系統內部塊圖簡單描述系統與外部角色的關聯；（4）以狀態圖描述系統功能塊、外部角色的狀態遷移；（5）系統單個功能用例的時序驗證和狀態驗證。

圖7 功能分析示意圖

3.3 邏輯設計（L）

邏輯設計階段目的是確定系統概念原理可行，確定系統架構，輸出子系統設計規范。在《INCOSE系統工程手冊》中，系統架構被定義為“為了滿足系統需求的元素及子系統的布置和它們的功能分配［12］”，系統架構分為邏輯架構、物理架構。

3.3.1 邏輯架構

邏輯架構定義系統將提供的能力、服務和系統將執行的任務，同時描述功能之間通信的消息以及傳遞數據，以支持系統在整個生命周期的邏輯運行，作為系統需求和物理架構的中間媒介層，有助于管理需求和技術更改的影響，如當執行驅動確定的性能需求改變時，伺服執行機構仍將是邏輯設計的一部分，但是具體的技術選擇可能改變。邏輯架構設計過程需要確定系統架構方案，并基于統一架構對每個用例按子系統進行功能分解與分配，完成子系統級的功能流程定義、識別子系統與外界及各子系統間的交互、完成各子系統的狀態行為定義并通過模型的執行對需求進行驗證、確認，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，邏輯架構模型包括活動圖、順序圖、狀態機等，建模過程和方法同功能分析類似。

圖8 基于Harmony的邏輯架構設計流程

3.3.2 物理架構

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

3.4 詳細設計（P）

詳細設計階段從系統總體角度方面，根據確定的物理架構，詳細 開 展 ICD（Interface Control Document）設計、數字功能樣機（Digital Function Mock-up）設計、硬件選型設計、軟件架構設計、關鍵性能指標的仿真分析（如散熱仿真分析、EMC仿真分析、信號完整性仿真分析）以及多物理場協同仿真；從子系統的角度方面，根據邏輯設計輸出的子系統設計規范，開展子系統級新一輪的R-F-L-P設計流程，輸出子系統產品，以集成至大系統內部。

圖9 物理架構設計示意圖

3.4.1 lCD設計

圖10 ICD設計評估流程示意圖

ICD接口控制文件作為系統設計的頂層文件補充，主要描述系統中的數據接口定義規范，是對綜合電子系統性能優劣評價的重要依據，包括ICD數據庫的建立、管理以及ICD文檔的生成。ICD設計主要完成總線報文流的設計、信息流的仿真、設備及總線模型的建立，輸出的ICD數據文檔和相關的程序源代碼用于指導后續的半實物仿真、實物測試等。

3.4.2 數字功能樣機設計

數字功能樣機相比之前的幾何樣機而言，將綜合電子系統中功能、性能指標通過數學模型的方式表達出來，主要包括3D幾何造型的數字樣機模型（包括幾何外形、結構尺寸，采用Proe、CATIA建模）、運行環境模型（包括航跡或飛行環境模型）、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載仿真分析、端到端時間分析、信號端到端分析等內容。導入ICD數據之后，自動根據ICD的數據定義快速構建網絡拓撲模型，根據總線通訊特性，系統分析鏈路負載占用量、子系統流量等，以評估總線選擇類型。為了更好的避免設計方面的延時問題，需對總線的時間特性進行建模，分析每條報文的最差響應時間（WCRT），確定當前的系統設計和參數設計是否滿足時間約束條件。

3.4.4 多物理場協同仿真

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

圖11 基于FMU的多物理協同仿真

圖12 系統集成驗證過程

3.5 集成驗證

當綜合電子系統完成概念設計階段R-F-L-P全部流程，提出各子系統設計規范，完成總體協同仿真工作后，按照自向向上的流程逐級完成系統集成驗證工作，從綜合電子快速原型仿真開始，基于半物理仿真的方法，采用真實產品逐一替換仿真模型/模擬件，增量逐步迭代式的進行系統集成，通過交聯試驗，不斷發現并定位系統級的問題，最終實現全系統的集成、測試與驗證，集成驗證過程中將仿真/試驗結果與需求設計關聯，以形成設計驗證的閉環。

4 結束語

本文提出了綜合電子系統開發面臨的挑戰，研究了MBSE設計方法以及國內外典型應用情況，結合工程實際，提出了MBSE方法在飛行器綜合電子系統研制流程中的應用，詳細描述了需求分析、功能設計、邏輯設計、詳細設計乃至集成驗證的思路、模型的建立和分析過程，為綜合電子系統應用MBSE方法進行了有益的探索。