基于MBSE的對流層飛艇運行概念研究

陳志兵, 鄔 恒, 羅戰虎, 王建國

(1. 中國特種飛行器研究所, 湖北 荊門 448035; 2. 航空工業信息技術中心, 北京 100028)

0 引 言

對流層飛艇是一種適應對流層環境、輕于空氣、由動力推進并可操縱的航空器。與傳統概念的飛行器借助機翼或者旋翼與空氣的相對運動而產生的升力不同,飛艇主要依靠輕質氣體產生凈浮力進行飛行,因此飛艇具有能耗低、滯空時間長等特點[1]。

飛艇的研制流程與傳統航空器一樣,主要分為探索研究階段、概念階段、設計階段、生產階段、使用階段和退役階段[2]。其中,概念階段發生在產品全生命周期的早期,主要承擔快速闡明需求、探索解決方案、制定運行概念并初步得出物理解決方案的任務,是后續型號設計、制造和投入商業運行能否成功的前提與關鍵[3]。在概念階段,運行概念作為重要組成部分和主要輸出,是連接利益攸關者需求與系統設計規范之間的橋梁[4-6]。其以利益攸關者的需求、系統目標和關鍵假設為出發點,使用概念的形式體現系統和系統的運行過程,并且能為后期系統的實現(硬件、軟件、人力、材料、流程等) 提供參考和支持[7]。

在當前的工程實踐中,對流層飛艇的運行概念主要使用文本文檔的形式進行描述。這種傳統方法在以往的工作中發揮了很大的作用,但是在項目推進過程中還存在著以下問題:

(1) 傳統基于文本描述的設計文檔一致性較差,溝通效率較低且容易產生歧義,往往不能精確描述系統特征和運行場景。尤其是在飛艇牽引起飛、返場著陸等復雜場景中,文本文檔往往不能清晰梳理各對象之間的交互關系與執行邏輯。

(2) 運行概念作為連接利益攸關者需求與系統設計規范之間的橋梁,文本文檔形式難以保證利益攸關者需求和對流層飛艇架構設計之間的同步更新和設計可追溯性。這些限制通常會導致效率低下和質量問題,而這些問題往往只有在系統集成和測試階段才會暴露[8]。

(3) 可驗證性差。運行概念的交付物以靜態的文本形式進行呈現,缺乏相應手段對運行場景的執行邏輯進行驗證。運行概念模型的評定更多依靠設計人員的歷史經驗與直覺,缺乏客觀的評定標準。

針對基于文本的運行概念開發的局限性,本文引入基于模型的系統工程(model-based system engineering, MBSE)的建模方法。MBSE 是一種對建模的形式化應用,以支持從概念設計階段開始并貫穿整個產品生命周期的系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動[9]。MBSE不專注于解決具體學科的設計問題,而是強調面向系統工程過程的建模,將需求、分析、設計、驗證等過程中涉及的要素模型化并有機聯系在一起,保持了全生命周期系統信息的一致性與可追溯性。

在航空領域,學者引入MBSE方法并將其應用于概念分析[10-11]、需求分析與架構設計[12-18]、關鍵系統設計[19-24]等領域,這些成果表明MBSE相比傳統基于文本的系統工程在需求捕獲與驗證、保持設計一致性、復雜系統建模等方面具有不可比擬的優勢。

本文將MBSE的建模方法引入到對流層飛艇的運行概念研究中,通過系統建模語言(system modeling language, SysML)搭建運行概念模型并與利益攸關者需求建立關聯關系,從而達到精確、可追溯和可驗證的建模目的。本文首先識別并捕獲完整的利益攸關者與利益攸關者需求,并定義系統用例,以此建立用例與利益攸關者需求的關聯關系;然后以飛艇的航測航拍用例為例,基于Rhapsody軟件建立飛艇運行場景分析模型;最后基于任務狀態機圖對運行概念模型進行驗證。

1 基于MBSE的對流層飛艇運行概念設計流程

相比于基于文本的系統工程,MBSE并不會改變概念階段的方法流程,最大的差別是交付物由文本轉化為模型。根據系統工程原理與民機研制概念階段工作要求[25-28],得出基于MBSE的對流層飛艇運行概念設計流程,如圖1所示。

圖1 基于MBSE的對流層飛艇運行概念設計流程Fig.1 Design process of concept of operation for tropospheric airship based on MBSE

基于MBSE的對流層飛艇運行概念設計流程主要分為如下3個部分。

(1) 確定利益攸關者需求。利益攸關者需求是飛艇前期論證與后續設計制造的最原始輸入,是保證后續型號研制能否成功的基礎。本文基于以往設計經驗和面向供應鏈過程的利益攸關者模型,確定所有利益攸關者并構建需求清單。

(2) 定義系統用例與外部接口。用例是圍繞飛艇利益攸關者需求的凝煉,描述了飛艇如何實現設計目標的核心功能。通過對上文利益攸關者需求清單和系統外界交互關系的綜合分析,確定飛艇運行的用例模型與外部接口。

(3) 展開用例場景分析,建立描述飛艇黑盒視角的模型視圖并對模型進行驗證?；陲w艇用例與外部接口,對飛艇運行過程中最主要的場景進行詳細建模,最后基于狀態機視圖確認和驗證運行場景的正確性與完整性。

2 基于用例的對流層飛艇需求分析

2.1 需求分析

本文目的是設計一款執行航測航拍任務的對流層無人飛艇(簡稱“無人飛艇”)。依據供應鏈中的上下游關系,確定利益攸關者主要包括投資方、適航局方、用戶和運營保障。結合以往設計經驗與用戶需求座談會研討成果確定利益攸關者需求共125項,部分清單如表1所示。完整清單在需求管理軟件DOORS中進行統一管理。

表1 利益攸關者需求清單Table 1 List of stakeholder requirements

2.2 定義外部接口與用例

用例作為利益攸關者需求的高度提煉,內涵是對無人飛艇關鍵需求與頂層目標的描述,在無人飛艇全生命周期中包括運行類用例、制造類用例、維護支持類用例、退役報廢類用例等。本文研究的是無人飛艇運行概念模型,在整個使用周期中主要有架設安裝、航測航拍任務、艇庫停放、無人飛艇回收、試驗試飛等流程,綜合利益攸關者需求清單,排除涉及利益攸關者需求較少的運行用例,將工作重點集中于航測航拍、艇庫停放、架設與回收3個主要用例。

根據已確定用例與國內外無人飛艇的運行經驗,確定無人飛艇運行過程中全部用例參與者,其具體職責分工如表2所示。

表2 用例參與者清單及其職責劃分Table 2 List of use case participants and responsibility division

續表2Continued Table 2

結合用例參與者的職責劃分建立頂層用例視圖,如圖2所示。用例圖通過描述系統用例和用例參與者之間的交互來“捕捉”無人飛艇的利益攸關者需求。

圖2 運行概念用例圖Fig.2 Use case diagrams for concept of operation

2.3 關聯利益攸關者需求到系統用例

用例作為利益攸關者需求清單的高度凝煉,也是后續場景開發的基礎。為了保證運行概念模型設計的可追溯性,需建立利益攸關者需求與系統用例的關聯關系。首先,DOORS軟件通過Rhapsody Gateway集成接口將利益攸關者需求導入到Rhapsody項目中的RequirementsPkg下。然后,使用Rhapsody SE-Toolkit的功能Create Dependency關聯到用例[29]。利益攸關者需求與系統用例的關聯關系視圖如圖3所示。利益攸關者需求與系統用例的關聯關系通過用例與需求條目之間建立〈trace〉關系來實現,縱向代表著利益攸關者需求,橫向代表著無人飛艇用例,兩者通過帶虛線的箭頭建立關聯關系。

圖3 關聯利益攸關者需求與系統用例Fig.3 Correlation of stakeholders’ requirements and use case

3 無人飛艇運行概念建模與需求驗證

3.1 無人飛艇運行概念場景設計

針對航測航拍、艇庫停放、架設與回收3個用例,以其中最核心的航測航拍用例為例,開展運行場景分析。對流層無人飛艇在執行航測航拍任務時首先在艇庫安裝光電轉塔、高清可見光攝像機、紅外熱像儀等任務設備。然后,將無人飛艇從艇庫牽引至起降場地垂直起飛至起飛至安全距離,進而爬升至任務高度飛行并逐漸進入巡航狀態。接著,無人飛艇按預定航路或選定航路飛行,保持巡航速度,飛至指定目標空域進行航測航拍。任務完成后,無人飛艇返回起降場地上方,下滑飛行至安全離地高度,垂直降落。

航測航拍用例由多個場景構成,通常包括正常場景與異常場景。其中,異常場景描述的是非正常場景,如在起飛階段或者執行航測航拍任務階段若出現通訊中斷、關鍵系統故障等情況,無人飛艇不能繼續飛行,地面站與總指揮根據突發情況類別執行相應的應急預案,無人飛艇會切換至自主飛行模式,實施緊急迫降。詳細的運行階段任務劃分如表3所示。

表3 任務階段劃分Table 3 Task phase division

續表3Continued Table 3

根據航測航拍任務的階段劃分,建立無人飛艇航測航拍的活動圖。主活動圖如圖4所示,主要分為艇庫內準備、飛艇出庫、飛行前準備、起飛、任務飛行、返航降落、系留入庫7個階段。

圖4 航測航拍任務主活動圖Fig.4 Main activity diagram of aerial survey and photography task

與直升機、固定翼飛機在地勤準備結束后飛行機組獨立執行升降操作不同,無人飛艇需要大量的地面運營人員和設施設備來協助完成牽引、系留和降落等工作。同時,無人飛艇主要依靠靜浮力進行飛行,速度較慢且囊體體積巨大,因此無人飛艇對環境變化異常敏感,氣象適應性較弱?；诖?本節主要針對無人飛艇牽引出庫、任務飛行兩個階段進行詳細分析。

在庫內準備工作完成以后,無人飛艇準備出庫。首先,將起落架調整為自由轉動狀態,系留塔上的頭錐鎖處于水平面360°自由旋轉,并確認無人飛艇出庫時風速不大于5 m/s;然后,牽引系留車以不大于5 km/h的行進速度牽引無人飛艇出庫,并在牽引過程中保持勻速行駛;在出庫過程中,地面組長需時刻觀察風速風向與艇體姿態,并根據風速風向情況,指揮拉繩員和吊艙扶艙員控制無人飛艇方向;最后,牽引無人飛艇到達指定位置后,柔和停車,詳細工作如圖5所示?；顒訄D通過活動對事件、能力和數據流進行建模,使用控制節點控制活動的執行,通過Actor-pin(特殊的對象節點)表示動作的輸入和輸出。

圖5 無人飛艇出庫活動圖Fig.5 Activity diagram of the unmanned airship of boathouse outbound

任務飛行階段是完成航測航拍的關鍵,也是評判無人飛艇研制是否成功的最重要標志。在無人飛艇的爬升達到任務速度與高度以后,無人飛艇保持速度按照規劃路線進入目標區域開始航測航拍任務。無人飛艇一旦發生嚴重故障或與地面通訊中斷,就會立即執行緊急預案,并中斷任務,進行緊急迫降。在正常狀態下,無人飛艇會依據獲取的地面控制站指令,切換自主飛行和地面站控制兩種飛行模式,依靠舵面、副氣囊、發動機等系統控制執行轉彎、爬升、下降等機動動作。詳細過程的任務飛行時序圖如圖6所示。時序圖由垂直的生命線構成,能直觀描述角色與用例之間按時間順序的動態交互關系[30-31]。圖6詳細描述了無人飛艇在飛行任務中面對不同狀況的運行場景。

圖6 任務飛行時序圖Fig.6 Sequence diagram of mission flight

3.2 基于狀態機的運行概念執行與需求驗證

第3.1節基于活動圖、時序圖和內部塊圖完成了無人飛艇的運行場景設計,本節通過運行場景的狀態機視角,對運行場景的執行邏輯進行驗證。狀態機圖不同于活動圖、時序圖等行為圖,其關注系統如何根據隨時間發生的事件改變狀態。模型通過遍歷運行中的所有功能邏輯分支,判斷狀態跳轉是否合理和符合條件、特情處置是否基于狀態機運行,以此驗證運行場景模型的邏輯正確性與操作完整性。

遍歷狀態機模型的另一個目的是驗證利益攸關者需求的完整性。但隨著模型的細化,前文利益攸關者需求與系統用例的關聯關系已不能滿足需求驗證的要求,需將時序圖下操作和狀態機圖下狀態與系統用例承接的利益攸關者需求建立更加細化的〈trace〉關系,以通過狀態機運行驗證需求實現。部分操作和狀態與需求清單的關聯關系如圖7所示。

在整個航測航拍運行過程中,各類事件對系統所產生影響的嚴重程度可以分為2級,即災難性的(Ⅰ級)、嚴重的(Ⅱ級)。本節選取任務飛行過程無人飛艇發生Ⅰ級事故——地面控制站與飛艇數據通信功能喪失,展示整個特情處理與需求驗證流程。

任務飛行階段狀態機圖主要分為3個部分:航測航拍、系統故障診斷、通訊。① 航測航拍是無人飛艇運行的主要目的,主要分為捕獲對象、數據存儲與傳輸等子狀態。在任務正常結束后,進入下一階段;② 系統故障診斷主要是在飛行過程中,實時監測動力、電源、控制等各個分系統的狀態。在發生故障時,根據故障等級與類型采取相應的應急措施;③ 通訊部分主要是在通訊正常的情況下,通過獲取地面站命令、選擇飛行模式、生成控制指令,以發動機、副氣囊、舵面等控制無人飛艇完成相應的動作。而在通訊失效時,無人飛艇則會進入失聯自動控制程序,隨后進行緊急迫降。

因航測航拍場景過于復雜,以上活動圖與時序圖只對任務中的部分階段進行了呈現,接下來借助內部塊圖(見圖8),以全視圖視角展示航測航拍用例與外界的交互關系。

執行狀態機圖如圖9所示,在任務飛行執行航測航拍任務時,地面控制站與飛艇數據通信功能喪失,無人飛艇進入失聯自動控制狀態。

與此同時,地面總指揮注意到地面控制站在預定時間內數據沒有更新,且指令上行沒有任何響應或者飛控計算機在連續若干周期內都沒有收到上行數據時,會判定地面控制站與無人飛艇的數據通信功能已經失效,然后立刻通知空管部門,報告故障情況。同時,總指揮利用故障前航線信息,判斷無人飛艇的自動返航路徑及時間,并設置多個觀察崗位,目視觀察飛艇動向,在確定無人飛艇可能降落的地點以后,組織地面人員迅速前往并報告消防力量請求援助,具體如圖10所示。

通過起飛階段的狀態機執行,驗證了該無人飛艇系統滿足任務飛行、飛行控制和應急情況處理等利益攸關者需求。結合現有的利益攸關者需求清單與起飛過程狀態分析結果,可進一步補充和完善通訊備份、自主控制飛行與降落等相關需求,從而不斷迭代運行概念模型與利益攸關者需求清單,直至兩者達到最優狀態,為后續確定設計方案提供參考。

圖7 關聯利益攸關者需求與狀態機圖Fig.7 Diagram of correlation of stakeholder requirements and state machine diagram

圖8 航測航拍用例接口與端口Fig.8 Interface and port of aerial survey and photography use case

圖10 通訊失效時總指揮狀態機圖模型執行動畫展示Fig.10 Animation display of the overall command state machine diagram model execution in case of communication failure

3.3 模型優勢

在對流層無人飛艇運行概念分析過程中,本文使用模型代替文本,建立了可追溯到利益攸關者需求的運行場景模型,并基于狀態機圖對運行場景執行邏輯和需求的正確性與完整性進行了驗證。該方法有效解決了傳統基于文本描述方法存在的問題:

(1) 通過Gateway模塊,集成DOORS與Rhapsody軟件接口,建立了利益攸關者需求與系統用例的追蹤關聯關系,保證了運行概念分析對利益攸關者需求的設計可追溯性。

(2) 針對文本描述設計一致性較差、容易產生歧義等問題,本文使用SysML半形式化圖形建模語言,基于活動圖、時序圖、內部塊圖等不同視角全面、立體地描述無人飛艇的運行場景。

(3) 通過運行對流層無人飛艇運行概念狀態機模型,驗證了無人飛艇在運行過程中操作流程的正確性,解決了靜態文本缺乏驗證手段的局限性。同時,在狀態執行中,結合面臨的實際問題可進一步完善補充利益攸關者需求清單。

4 結 論

本文將MBSE方法引入對流層無人飛艇運行概念研究中,重點探討了傳統基于文本的運行概念研究方法的局限性與MBSE方法的優勢,提出了基于MBSE的對流層無人飛艇運行概念模型設計流程。首先,通過供應鏈中上下游關系識別利益攸關者并建立利益攸關者需求清單,并與系統用例建立追蹤關聯關系。然后,基于活動圖與時序圖進一步細化用例,建立無人飛艇航測航拍運行場景模型。最后,建立狀態機圖,通過地面控制站與飛艇數據通信功能喪失的特情處理流程動態演示,驗證運行模型的執行邏輯,并進一步驗證與完善了利益攸關者需求。

本文提出的基于MBSE的對流層無人飛艇運行概念模型設計方法,使用模型代替文本,往上承接利益攸關者需求,往下通過運行狀態機圖遍歷運行中所有功能邏輯分支以進一步補充完善需求,較好地解決了之前方法所帶來的難以保證設計可追溯性、精確性較差、方案驗證較難等問題,并且該方法邏輯性、適用性和可行性較強,可適當推廣至其他系統的運行概念分析過程。