基于模型的系統工程在航電系統設計中的研究與仿真

王揚

摘要：本文將通用的設計方法與航電系統實際設計問題相融合，提出具有針對性的設計意見，并通過仿真建模分析對設計方法進行驗證。

關鍵詞：系統工程;航電系統;需求分析;功能分析

中圖分類號：V243 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）02-0128-03

0 引言

隨著計算機領域技術的跨越式發展，人們對航空電子系統所能完成的任務也有了更多的期待，系統的綜合化能力和復雜程度也隨之提高，如何在新型的航電系統設計中控制好技術成熟度、進度、質量和成本成為一個擺在我們面前必須解決的難題。也正是由于飛機航電系統綜合化程度越來越高，涵蓋的功能項目越來越廣，我們亟需一套自頂向下囊括需求捕獲與分析，功能設計與驗證、軟硬件開發與測試的系統方法來指導我們的設計。

目前航電設計中面臨著以下挑戰：（1）需求的捕獲、分析、確認和管理不到位。設計主要依賴于個人的經驗積累，需求描述存在不確定性，無法保證被無歧義的貫徹，對沒有建立需求追蹤關系，不能保證所有需求在開發中被完全覆蓋，對需求沒有經過前期驗證，需要依靠原理驗證、C型件甚至S型件試驗才能發現問題;（2）傳統的設計文件采用紙質文檔的形式，無統一標準化要求，容易產生二義性，同時單純的文字和圖型難以表達出現代航電復雜的活動過程和內部邏輯變化，因此下游軟件設計人員無法全面了解和掌握系統設計人員的思路想法，影響后期實現;（3）缺少一套成體系的方法將航電系統設計中各崗位的工作有機、高效的鏈接起來，使得各個環節的工作人員都能夠非常清晰的了解自己應當負責的工作內容。

1 MBSE方法概述

系統工程是一種使系統能成功實現的跨學科的方法和手段。主要應用于系統前期的方案設計階段，通過科學的方法捕獲目的系統的需求并以此開展功能分析，同時支持對多個子系統進行設計綜合、接口測試和邏輯驗證。

基于模型的系統工程（MBSE）方法：通過為用戶提供可視化的模型，引導用戶按照需求管理、功能分析、架構設計、集成測試的流程一步步實現對系統需求的分解、建模和綜合，經過對初始需求不斷的“確認”和“驗證”，得到一套完整的確認化需求和一系列可執行模型庫，最終通過這樣的仿真手段在產品設計前期便查找出后續環節可能存在的隱患和故障問題，大大減少系統設計成本。如圖1所示。

近年來，國際領先的航空企業都在積極實踐和推進MBSE。例如波音公司、空客公司、洛克希德·馬丁公司等，不約而同的在新型號或新產品的設計中全面采用MBSE方法，涉及到系統任務和需求定義及管理、系統功能和內外部接口設計、電子設備和軟件的生產及測試、系統架構設計和系統綜合等各個領域。

飛機系統是典型的系統之系統，從飛機級看包含了飛控、機電、航電、液壓等眾多系統，對航電系統進行分解又包含了綜合顯控系統、綜合處理系統、無線電導航系統等分系統。在進行型號設計工作時，需要分開對飛機級和系統級開展建模仿真，上層系統設計結果是進行下層系統設計的輸入條件，下層系統設計結果是對上層設計的確認和驗證過程，層級之間分工明確，經過不斷地迭代過程，最終達到一個最優的設計結果。

MBSE是能夠將最初用戶需求轉化成為可執行功能模型的一整套規范方法，特別針對與復雜系統，按照這樣的方法和步驟能夠幫助設計員深入了解系統，進行合理的功能劃分和接口設計，從而分工完成各部分設計工作，最后再進行系統綜合。如圖2所示。

按照設計流程首先明確所分析的系統要干什么，即系統的功能是什么，定義為系統工程的黑盒階段，然后分析系統的功能如何來實現，定義為系統工程的白盒階段。黑盒階段和白盒階段的分析過程基本一致，不同點在于完成黑盒分析后，需要完成一輪架構設計，得到系統的邏輯架構，隨后在進行白盒分析時，將各個功能項全部分配到架構設計中劃分出來的各個分系統里。

2 設計方法研究

2.1 需求分析

需求分析階段工作包括需求定義、系統用例定義和建立追蹤關系三部分。將捕獲到的初始系統需求從DOORS系統導入到Rhapsody系統中，然后系統進行分析，繪制系統邊界，定義系統用例，建立用例和需求之間的追蹤關系，確保每一條需求都得到覆蓋。

2.1.1 需求定義

需求定義是整個MBSE方法最頂層的設計輸入，是對用戶需求和行業設計規范的條目化管理，需要對需求建立各類屬性以便進行分類和查詢。通常需求屬性包含有編號、類型、狀態、階段等。后續的設計仿真只針對其中功能性需求進行建模。

2.1.2 系統用例定義

用例圖通過描述系統的各類外部用戶和系統之間的交互操作來分解和迭代已有的系統的功能需求，對之前條目化需求進行更新完善，定義用例的過程通常會對需求進行更改、新增和刪除，在完成全部用例定義之后，需要將確認之后的需求由Rhapsody系統重新導入到DOORS系統進行完善。

用例模型描述的是系統必須能“做什么”，關注系統是如何被外部用戶所使用的。

用例圖由邊界、用例、參與者和關系四部分組成，其中邊界描述了系統所要實現的具體功能，而用例則是實現該功能所要具備的一個個子功能項目，邊界以外的都是參與者，他們與子功能項之間的交互動作稱之為關系。

2.1.3 建立追蹤關系

建立系統用例到系統需求之間的追蹤關系，該步驟主要用于確認在進行系統用例定義時有沒有遺漏功能性需求，是否達到了百分之百的覆蓋率。

2.2 功能分析

功能分析用于分析每一個系統用例的功能流程，識別系統與外界的交互關系，最終完整描述系統狀態行為，是一個反復迭代的過程。功能分析階段只關注系統的功能，不考慮系統的架構和實現方式。采用模型的方式直觀的展示系統的活動順序、接口關系、運行狀態。最為關鍵的就是通過模型的執行，能夠盡早的驗證功能需求。

2.2.1 黑盒活動圖

活動圖表示系統為完成用例描述的功能所要執行的一系列活動與操作，闡明了用例實現的工作流程。展示出系統所有功能的業務流程、邏輯關系和數據交互。繪制活動圖時要站在系統的角度看待系統的活動。

活動圖涵蓋定義的所有參與者，明確參與者與系統的輸入輸出關系。為了準確描述每一個活動，需要制定統一的活動描述的規則，方便設計人員之間溝通交流，同時使得設計員的意圖能夠無歧義的傳遞給下游開發人員。

2.2.2 黑盒順序圖

每個功能存在不同的使用場景，通過在不同使用場景下分析系統與外部參與者的輸入和輸出操作來識別出系統與外部的接口，此時設計的注意力集中于每一個場景，場景分析使用順序圖。順序圖通過描述對象之間發送消息的時間順序顯示多個對象之間的動態協作，表示用例的行為順序，更加凸顯系統的時序性。

在進行順序圖分析時要注意系統都與哪些外部參與者有交互，交互的具體事件，交互的時間順序。其中外部參與者對應端口，交互的具體事件對應接口，交互的時間順序對應系統邏輯。

2.2.3 端口和接口

以圖形的方式展示系統與外部參與者的所有交互，創建系統的IBD圖（內部塊圖），其中端口與接口是系統與外部參與者進行交互的一種手段，系統與外部參與者通過端口進行交互，接口配置于端口之上，一個端口可能配有多個接口，系統通過端口提供接口服務。

接口參數中描述系統與人之間的接口定義為系統的顯示控制需求，與其他外部系統之間的接口定義為系統的邏輯接口，所有的接口都是通過系統的建模分析得到的，從而通過系統的設計方法保證了接口的正確性和完備性。

2.2.4 黑盒狀態機

狀態機主要用于描述一個對象在其生命周期內的動態行為，表現為一個對象所經歷的狀態序列、在特定狀態下的行為、引起狀態轉移的條件、因狀態轉移而伴隨的動作、以及對異常做出的響應等。是對系統一個更加深入、明確的過程。

2.2.5 運行狀態機

運行狀態機是將設計得到的狀態機模型，加入網頁等外部驅動手段，通過改變外部輸入和內部參數，使之能動態運行起來，可視化的呈現系統運行狀態，能夠表現出系統邏輯和時序，方便設計人員進行系統需求確認。

運行狀態機包括生產參與者狀態機、生成系統參數和運行三個步驟。其中生成參與者狀態機是將所有外部參與者對系統的輸入操作進行仿真驅動，生成系統參數是提供對系統所有參數的一個動態更改頁面，便于調整系統不同的運行狀態，最后運行狀態機，仿真系統內部的運行活動，更直觀的檢查系統行為。

3 建模仿真

選取航電系統中TCAS功能進行仿真建模分析，TCAS即空中防撞系統，包含了空中交通告警/防撞和空管應答兩項重要子功能。

空中交通告警/防撞功能能夠對空域中其他裝有應答機的飛機進行詢問，此時被詢問的飛機會發送應答結果給發出詢問的飛機，然后通過反饋的應答結果判斷附近空域內是否有其他飛機，并結合本機的飛行狀態評估出其他飛機的威脅等級，通過語音和畫面的形式展示給飛行員，便于飛行員進行合理避讓。

空管應答功能能夠為地面雷達站提供本機編碼、高度和識別信息，便于空管人員進行空中交通管理。

通過上述設計方法對該功能進行需求分析，隨后建立黑盒活動圖、順序圖、確定端口和接口，完成黑盒狀態機的建立。最后通過圖3可執行的Web網頁界面對狀態機進行運行測試，檢驗系統需求是否都準確實現，運行模型如圖4所示。

4 結語

基于模型的系統工程設計方法，使設計工作有章可循，依靠科學的方法，引導設計人員從系統需求出發，逐步深入明確系統功能，經過迭代測試，反過來完善系統需求，同時產生多類可視化模型，便于團隊交流溝通，也為下游開發提供依據，系統整個開發過程中需求都可追溯，便于復雜系統設計時需求的變更管理，以及對系統狀態的控制，實現從經驗研發向需求研發的轉變。

通過對系統的建模分析我們能夠得到以下成果：（1）通過仿真建模分析得到確認的條目化需求;（2）得到了狀態機模型，通過模型的執行，可以對需求進行驗證、測試，盡早暴露問題，及時發現需求分析過程中的不足，迭代完善系統需求;（3）系統建模形成的接口控制文檔可以為后續POP和ICD設計提供依據;（4）在當前文件體系結構下，加入系統建模分析過程，承接設計要求和技術方案，使方案論述更為完善。

參考文獻

[1] 國際系統工程協會（INCOSE）.系統工程手冊[M].北京：機械工業出版社，2019.

[2] 丁鼎.基于模型的系統工程在民機領域的應用[J].沈陽航空航天大學學報，2012（04）：47-50.

Research and Simulation of? Model Based Systems Engineering in

Avionics System Design

WANG Yang

（Aviation Industry First Aircraft Design and Research Institute， Xian? Shaanxi? 710089）

Abstract：This paper combines general design methods with actual design problems of avionics systems， presents targeted design opinions， and verifies design methods through simulation modeling analysis.

Key words：system engineering; avionics system; requirement analysis; functional analysis