基于MBSE在航空电子通信系统中的应用

薛　威,贾超群,李　雯,史　岩

(中航工业西安航空计算技术研究所 第15室,陕西 西安　710065)



基于MBSE在航空电子通信系统中的应用

薛威,贾超群,李雯,史岩

(中航工业西安航空计算技术研究所 第15室,陕西 西安710065)

摘要在航空电子通信系统的研发过程中,针对基于文档的传统开发方法中存在的开发周期长、需求验证困难以及更改流程复杂等问题,文中提出了应用基于模型的系统工程(MBSE)方法。基于航空航天领域中主流的Harmony方法,通过需求分析、功能分析和设计综合依次建立了需求模型、功能模型和物理架构模型。该方法保证了数据的可追溯性,提高了设计效率,降低了设计风险,可为MBSE方法在航电系统中的进一步应用提供参考。

关键词基于模型的系统工程;航空电子通信系统;Harmony流程

机载航空电子系统涵盖了通信导航、雷达、电子战、飞行控制和管理等子系统,同时也包括这些系统间用于信息交换和资源共享的信息综合系统。航空电子通信系统承担者航空电子系统各功能模块之间进行信息交互的重要职责,作为航空电子系统的“骨架”和“神经”,其性能优劣直接决定着航空电子系统综合化程度的高低。

目前,航空电子通信系统研发流程主要以基于文档的传统形式进行开发与管理,该方法对于需求的描述存在不确定性,各类需求之间没有建立追溯关系,加上文档评审困难、版本混乱,导致这一方法存在开发周期长、需求验证困难以及更改流程复杂等诸多问题。随着系统规模扩大,研制周期缩短,性能指标要求提升,研制流程管理的难度大幅度提升[1]。

基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)是一种跨领域、跨学科的系统化思维方法,MBSE方法将“一切基于模型”的理念贯穿产品全生命周期,通过图形化、结构化和模型化的方法,使整个系统变得清晰、规范、易于维护,最终实现系统工程项目的设计与管理过程。MBSE方法有效的解决了基于文档设计方法在需求验证、技术状态管理、数据可追溯性等方面面临的问题,MBSE已成为近年来航空航天领域研究和应用的热点。

1SysML语言体系结构

MBSE使用的建模语言种类众多,如IDEF0、行为图、N2图等,这些建模语言使用的符号和语义不同,造成彼此之间信息不能重用。缺乏统一的建模语言,严重限制了系统工程和其他学科之间的有效融合,阻碍了系统工程的发展进程。为支持MBSE,由对象管理组织(Object Management Group,OMG)和国际系统工程协会(International Council on Systems Engineering,INCOSE)在对软件工程统一建模语言(Unified Modeling Language,UML)进行复用和扩展的基础上,合作开发了系统建模语言(Systems Modeling Language,SysML),SysML[2]与UML[3]的关系如图1所示。

图1　SysML语言和UML语言

SysML语言提供了对系统的需求、行为、结构和参数进行图形化表达的语义和语法基础,能够描述、分析、设计和验证包含硬件、软件、设备、人员和信息的复杂系统。SysML语言是基于UML语言在系统工程领域的继承和扩展,为系统工程的设计阶段提供了一种工作流程和分析手段,现在已经成为系统工程的标准建模语言[4]。

MBSE方法使用“服务请求驱动”的建模方法,使用方框作为基本结构元素,通过SysML模型图描述系统结构。建模过程中常用的SysML图包括需求图、用例图、活动图、顺序图、块定义图、内部块图和状态机图,SysML图的分类如图2所示。

图2　SysML图的分类

2Harmony综合系统和开发流程

目前,国内外不同行业和组织对MBSE的方法论进行了深入的研究与实现,如IBM Telelogic的Harmony-Se,Incose面向对象的系统工程方法,Vitech基于模型的系统工程方法论等[5],其中IBM Telelogic的Harmony-Se在航空航天领域应用最为广泛。图3描述了Harmony综合系统和软硬件开发流程。

图3　Harmony综合系统和软硬件开发流程V形图

V形图的左半部分描述了自顶向下的设计过程,完成了系统的分解和定义,V形图的右半部分描述了自底向上的整合过程,完成系统的综合和验证。从V形图中可看出,Harmony-SE系统工程开发流程分为3个顺序的开发流程:需求分析、系统功能分析、设计综合。值得注意的是,Harmony流程在某种程度上反映了Forsberg与Moog的“V形”生命周期开发模型[6-7]。

基于IBM的Harmony系统工程开发流程的Rhapsody应用软件,是目前业界应用较广的MBSE开发平台,本文对航空电子通信系统的研制设计采用了IBM公司的Doors和Rhapsody软件。

3MBSE方法的应用与实践

航空电子通信系统承担着航空电子系统内所有信息交互的重要任务,航空电子通信系统通常采用GJB289A时分制指令/响应多路传输数据总线[8],GJB289A总线上数据的正确性直接影响到整个航空电子系统的通信。针对GJB289A总线通信系统,研究了基于MBSE方法进行系统开发的应用,根据Harmony-SE系统工程开发的3个流程,完成了需求管理与开发、系统功能定义与分解、架构的设计与综合工作。

3.1需求分析

需求分析的主要目的是对用户需求进行梳理和分类,筛选出其中的功能需求,根据不同的功能需求建立相应的用例,用例的创建是需求模型设计的基础。每个用例分别与相关的功能需求存在追溯关系,Rhapsody可创建这些用例与需求库(由Rational Doors 管理)中功能需求的链接关系,以此保证模型对需求的追溯性[9]。

本文对GJB289A总线通信系统进行需求建模时,创建了3个用例、6个参与者,确定了其之间的关联关系,如图4所示。3个用例分别是在线编程、通信和网络管理,功能分析和设计综合都是基于用例及其与参与者的交互开展设计和分析。

建立用例图的一项重要操作是定义系统边界,与系统交互的所有外部元素均称为参与者,包括飞行员、飞机上其他系统、外部环境等。由此就明确了系统与外部的交互关系,为后期生成IBD图和ICD文件打下基础。

图4　GJB289A总线通信系统用例图

3.2功能分析

功能分析阶段的目的是分析系统与外部的信息交互模式和系统自身的运行状态,无需关心系统内部结构,因此被称为黑盒设计。基于需求分析建立的系统模型,功能分析的目的是建立能够描述系统功能及其相关元素的一系列模型,主要包括活动图、顺序图、内部块图和状态机,功能分析是针对每个用例展开的。

活动图的意义在于规定了功能之间的逻辑关系、确定操作的执行顺序、明确系统行为。模型的基本元素,如操作、属性、事件,大多在该阶段定义完成,活动图中的ActorPin表明了系统与外部的信息交互关系,活动图是建立顺序图和状态机的基础。图5展示了部分网络管理用例的活动图,即网络管理功能流程。

图5　网络管理用例活动图

顺序图分析了活动图中记录的系统与外界交互的过程。顺序图的意义在于能够在其基础上生成代表系统功能的基本操作和交互过程的事件。活动图中一般包含诸多分支,取决于可读性的考虑,应对典型的功能流程单独生成顺序图,即所谓场景分析。需要指出顺序图的集合必须覆盖活动图中所有的分支,但没有必要覆盖所有场景[10]。

状态机表达了系统基于状态的行为,状态机是每一阶段工作的核心交付产物。状态机的运行结果是验证系统是否符合系统需求的重要手段。图6展示了上文系统的状态行为,分析图5可发现系统存在3个并行的状态群:网络连接状态检查,带宽负载检查和错误检查。

图6　网络管理用例状态图

3.3设计综合

设计综合是在综合考虑所有系统功能的基础上进行系统的架构分析与设计,将系统拆分成子系统,基于统一架构对每个用例按子系统进行功能分解与分配。需要完成子系统级的功能流程定义、识别子系统与外界及各子系统之间的交互、完成各子系统的状态行为定义并通过模型的执行对需求进行验证和确认,这一过程也称为白盒分析[11]。

设计综合阶段的系统模型同样包括活动图、顺序图和状态机,所以建模过程同功能分析类似。不同于黑盒模型,白盒模型细化了系统的操作,着重分析了子系统的行为、子系统之间的交互及子系统与外部的交互关系。图7为白盒分析阶段的内部块图,从图中可看出,将系统划分为两个子系统、子系统之间的交互接口以及子系统与系统外设备的交互关系。

图7　GJB289A总线通信系统内部块图

4结束语

基于模型的系统工程开发流程是复杂系统开发领域的新兴理念和技术,能够有效解决传统开发流程面临的困难和问题。本文研究了航空航天领域主流的MBSE方法论的基本思想和开发流程,使用Harmony开发流程,举例分析了MBSE方法在航空电子通信系统设计中的应用,详细描述了需求模型、功能模型及架构模型的建立和分析过程,为航电系统中应用MBSE方法提供了参考方案。

参考文献

[1]王崑声,袁建华,陈红涛,等.国外基于模型的系统工程方法研究与实践[J].中国航天,2012(11):52-60.

[2]蒋彩云,王维平,李群.SysML:一种新的系统建模语言[J].系统仿真学报,2006,18(6):1483-1487,1492.

[3]鲁博,柴跃廷.关于统一建模语言—— UML[J].计算机工程与科学,2000,22(4):57-60.

[4]张有山,杨雷,王平,等.基于模型的系统工程方法在载人航天任务中的应用探讨[J].航天器工程,2014,23(5):121-128.

[5]Estefan J A.Survey of model-based systems engineering(MBSE) methodologies[M].San Diego,California:INCOSE,2008.

[6]Forsberg,Kevin,Harold Mooz.The relationship of systems engineering to the project cycle[J].Engineering Management Journal,1992(3):36-43.

[7]Forsberg,Kevin,Harold Mooz.Application of the“Vee”to Incremental and evolutionary development[C].St.Louis,MO:Proceedings of the Fifth Annual International Symposium of the National Council on Systems Engineering,1995.

[8]黄永葵,吴建民,李卫民.GJB289A-97《数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线》系列标准编制与应用[J].航空电子技术,2006(2):49-54.

[9]张翔.MBSE在民用飞机系统设计中的应用[J].科技风,2014(6):121-122.

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[11]张亚军,李舟军,廖湘科,等.自动化白盒模糊测试技术研究[J].计算机科学,2014,41(2):7-10.

Application of MBSE in Avionics Communication Systems

XUE Wei,JIA Chaoqun,LI Wen,SHI Yan

(Room 15,Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute,AVIC,Xi’an 710065,China)

AbstractThe traditional methods based on documents are confronted with a variety of problems,such as long periods of development,difficult verification of requirement and complex procedure of alteration.To address the challenges in the development of avionics communication system,this paper proposes a model-based systems engineering (MBSE) method.Based on the dominant Harmony method in the aerospace field,the requirement model,function model and physical structure model are built respectively through the requirement analysis,function analysis and design synthesis.This method not only ensures the traceability of data,but also improves the design efficiency and reduces the design risk of the project,hence providing references for the further utilization in the avionics system.

KeywordsMBSE;avionics communication system;Harmony process

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.05.013

收稿日期:2015-09-22

基金项目:航空科学基金资助项目(2014ZC31002)

作者简介:薛威(1988—),男,硕士,助理工程师。研究方向:机载网络等。

中图分类号TN914;v57

文献标识码a

文章编号1007-7820(2016)05-045-04