基于模型的综合电子系统应用探索

2022-05-30郑小鹏王小辉陈春燕池元成

电子测试 2022年8期

郑小鹏，王小辉，陈春燕，池元成

（中国运载火箭技术研究院研究发展部，北京，100076）

0 引言

目前，综合电子系统研发流程主要以基于文档的传统形式（Traditional Systems Engineering，TSE）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，信息传递过程中存在二义性，导致这一方法存在开发周期长、协同开发困难、无法复用等诸多问题。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］。为解决上述问题，本文引进一种全新的数字化研发模式—基于模型的系统工程(Model－Based Systems Engineering，MBSE)方法，结合实际，探索了MBSE应用于综合电子系统设计、仿真、验证与评估的方案、流程、方法，提出了实施策略，为后续的进一步应用提供了参考。

1 综合电子系统开发面临的挑战

随着微电子技术的迅猛发展，电子系统进入一个崭新的时代—模块化高度综合集成（IMA）［2］，传统的独立电子装备不再存在，将系统作为一个整体进行统一设计，采用可重配通用模块（LRM）的灵活组合构建复杂的电子系统，满足不同类型的任务需求，在降低系统质量/体积/功耗/成本的同时，大幅提升了系统的可用性、灵活性、成功率［3］。但是系统组成要素多、内部交联复杂、可靠性要求高、研制周期短且异地多级承包，而目前传统开发流程采用基于文档模式，各个阶段信息多是以文本的形式来记录和传递，如论证报告、方案报告、设计报告、任务书、设计要求、试验报告等，无法复用且协同开发困难，很难满足系统设计需要，容易在传递信息的过程中发生理解错误，导致大量的重复劳动，不但大大降低了工作效率，而且很难保证设计的一致性；同时对于需求的描述存在不确定性，难以实现变更追溯，开发早期引入的错误由于缺乏良好的验证手段通常很难发现，难以保证设计的正确性，从而导致后期大量的返工和维护成本。且随着系统规模的扩大、复杂程度的提高、性能指标的提升、参研单位的增加、研制周期的缩短，传统的“制造、试验、再制造、再试验”的研发模式已远远不能满足新一代综合电子系统要求，亟需采用新的设计方法，解决这一问题和矛盾，建立完善的系统工程设计开发流程。

图1 基于文档的传统系统工程

2 MBSE设计方法

2.1 MBSE概念与内涵

随着工程系统越来越复杂，传统系统工程（Traditional Systems Engineering，TSE）越来越难以应对使命，同时以模型化为代表的信息技术也在快速发展［4］，因此在需求牵引和技术推动下，MBSE应运而生。2007年，国际系统工程学会（INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中，正式提出了定义：MBSE是建模方法的形式化应用，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段［5］，并提出了MBSE的发展路线图。MBSE实施的目标是建立健全要素完整的、面向发展的基于模型的系统工程框架，通过该框架支撑业务全面、协调、可持续发展［6］。

图2 基于模型的系统工程

图3 MBSE发展路线图

2.2 国内外发展情况

波音、空客、洛马、柯林斯、GE等巨头在新一代航空航天装备研制过程中，全面采用MBSE的系统工程设计理念，减少迭代周期，缩减研制经费，提升综合性能及研制水平！波音在新型飞机验证过程中，全面采用MBSE的系统工程理念，实现从需求设计逐层分解到功能设计以及方案设计的自顶向下的分解过程，包括顶层系统方案快速设计和验证、产品研制过程的设计和确认以及运维过程的系统设计确认过程，同时也集成了ICD、设计规范、DODAF顶层战场仿真、功能/架构的仿真确认以及电子电气系统验证过程。

国内中航工业正将MBSE上升为集团发展战略，采用自上而下的推广模式，建立以先进数字化工程平台为基础，构建不同层次的仿真模型，支撑协同设计，使仿真知识、经验以模型化的方式积累、固化和验证，建立了流程全线贯通、数据高度融合、平台无缝集成的MBSE型号工程应用体系并实现型号应用，实现研发体系的跨越升级［7］。

图4 中航工业研发体系示意图

2.3 MBSE优势

相对于传统基于文档的TSE方法，MBSE采用模型“驱动”的信息传递方式，信息动态、全息无歧义；采用基于模型的多物理场联合建模仿真，工作平台从传统的几何样机升级到覆盖全系统的数字样机、功能样机和性能样机；采用基于模型的多层级小循环迭代的“事前”多专业联合仿真验证，实现型号研制的“全快好省”，（1）全：通过数字化设计、虚拟化验证、科学化评估、一体化生产等手段贯穿全寿命、全流程、全系统、全要素！（2）快：系统的需求确认、方案优化以及验证评估全过程可快速迭代相互验证，加快研制；（3）省：模型复用贯穿从需求至评估的全过程，大幅缩减系统迭代时间，节省方案优化成本；（4）好：设计的各个阶段均可开展基于模型的多专业联合仿真验证，避免“过设计”和“欠设计”。最终加快设计进程，保证设计质量，减少研制错误，减少迭代周期，节约研制经费，提升综合性能［8,9］。

表1 MBSE与TSE的对比

仿真建模单专业多物理场场仿真多专业多物理场场仿真工作平台几何样机数字样机→功能样机→性能样机试验验证基于实物的事后验证基于模型的事前联合仿真验证

3 MBSE方法的应用

为适应日益复杂的先进综合电子系统研发需求，亟需研究基于MBSE方法的系统开发应用，建立跨领域多学科的研发体系，以模型为驱动，将需求分析（R）、功能设计（F）、逻辑设计（L）、详细设计（P）集成到统一平台，通过不同层次仿真模型的构建、不同专业数据的协同共享及多学科的虚拟集成验证，完成从需求分析到物理实物到验证确认的全流程综合电子设计、仿真、验证与评估，实现传统基于文档的设计模式向基于模型的研制模式的转变，提高系统开发效率，降低研制成本，形成自顶向下的综合电子设计研发流程，实现开发全过程的可验证、可追溯。

3.1 需求分析（R）

需求分析的目的是将采集到的用户需求信息（如飞行控制、任务管理等）进行梳理和分类，筛选出其中的功能需求（供电、时序、火工品控制等），根据不同的功能需求建立相应的用例，通过形式化的模型语言Rhapsody创建用例与需求库中功能需求的链接关系，以保证模型对需求的追溯性［10］，最后通过有限状态机的方式对形式化模型描述的需求进行仿真验证，验证需求描述的正确性，检测出需求是否有矛盾，确保需求和用例被100%覆盖。

图5 基于MBSE的综合电子设计仿真验证与评估开发流程

图6 需求分析流程示意图

3.2 功能设计（F）

功能设计阶段目的是分析系统与外部的信息交换模式和系统自身的运行状态，无需关心系统内部结构，亦称为黑盒设计。基于需求分析建立的系统模型，针对需求分析阶段输出的系统用例图进行逐个分析，基于SysML工程建模语言，建立能够描述系统功能及其相关元素的一系列模型［11］，主要涵盖以下内容：（1）针对每个用例进行功能分析，通过活动图描述系统功能用例的活动；（2）根据活动图推导系统当前用例的运行场景和交互的数据流，并以时序图描述；（3）建立系统内部块图简单描述系统与外部角色的关联；（4）以状态图描述系统功能块、外部角色的状态迁移；（5）系统单个功能用例的时序验证和状态验证。

图7 功能分析示意图

3.3 逻辑设计（L）

逻辑设计阶段目的是确定系统概念原理可行，确定系统架构，输出子系统设计规范。在《INCOSE系统工程手册》中，系统架构被定义为“为了满足系统需求的元素及子系统的布置和它们的功能分配［12］”，系统架构分为逻辑架构、物理架构。

3.3.1 逻辑架构

逻辑架构定义系统将提供的能力、服务和系统将执行的任务，同时描述功能之间通信的消息以及传递数据，以支持系统在整个生命周期的逻辑运行，作为系统需求和物理架构的中间媒介层，有助于管理需求和技术更改的影响，如当执行驱动确定的性能需求改变时，伺服执行机构仍将是逻辑设计的一部分，但是具体的技术选择可能改变。逻辑架构设计过程需要确定系统架构方案，并基于统一架构对每个用例按子系统进行功能分解与分配，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、确认，最后对功能用例进行集成（集成顺序、方式、接口等），这一过程称为白盒分析，基于Harmony方法论和UML/SysML建模思想，逻辑架构模型包括活动图、顺序图、状态机等，建模过程和方法同功能分析类似。

图8 基于Harmony的逻辑架构设计流程

3.3.2 物理架构

物理架构是一组执行系统功能的系统元素如硬件、软件，物理架构描述了系统的物理组件和它们之间的相互连接关系，还描述功能逻辑到物理组件的分配。物理架构的分析流程为：（1）确定物理要素或划分（硬件资源和软件资源）；（2）将功能架构分解到这些物理要素（哪些用硬件实现、哪些用于软件实现）；（3）建立系统物理要素间的接口（软硬件之间的信息接口）。有了物理架构模型之后，可快速进行系统层面的仿真分析，得到：CPU利用率、RAM/ROM/FLASH利用率、网络利用率以及线束长度、重量等，并针对不同的物理架构，进行多方案的设计对比，从中优化出成本和性能等多个指标最佳的架构方案。物理架构设计完成后，能够形成电气原理图作为后续详细设计的输入，通过物理架构向上接Rhapsody的功能设计，向下提供系统硬件、软件、网络、电气的设计规范，有效的将功能设计与详细设计关联起来。

3.4 详细设计（P）

详细设计阶段从系统总体角度方面，根据确定的物理架构，详细开展 ICD（Interface Control Document）设计、数字功能样机（Digital Function Mock-up）设计、硬件选型设计、软件架构设计、关键性能指标的仿真分析（如散热仿真分析、EMC仿真分析、信号完整性仿真分析）以及多物理场协同仿真；从子系统的角度方面，根据逻辑设计输出的子系统设计规范，开展子系统级新一轮的R-F-L-P设计流程，输出子系统产品，以集成至大系统内部。

图9 物理架构设计示意图

3.4.1 lCD设计

图10 ICD设计评估流程示意图

ICD接口控制文件作为系统设计的顶层文件补充，主要描述系统中的数据接口定义规范，是对综合电子系统性能优劣评价的重要依据，包括ICD数据库的建立、管理以及ICD文档的生成。ICD设计主要完成总线报文流的设计、信息流的仿真、设备及总线模型的建立，输出的ICD数据文档和相关的程序源代码用于指导后续的半实物仿真、实物测试等。

3.4.2 数字功能样机设计

数字功能样机相比之前的几何样机而言，将综合电子系统中功能、性能指标通过数学模型的方式表达出来，主要包括3D几何造型的数字样机模型（包括几何外形、结构尺寸，采用Proe、CATIA建模）、运行环境模型（包括航迹或飞行环境模型）、运行工况（如飞行工况，采用Simulink建模）、控制模型/策略、被控对象物理模型（包括机电液磁热等物理对象特性模型，可采用Modelica建模）。

3.4.3 信号和时间仿真

综合电子信号和时间仿真包括总线负载仿真分析、端到端时间分析、信号端到端分析等内容。导入ICD数据之后，自动根据ICD的数据定义快速构建网络拓扑模型，根据总线通讯特性，系统分析链路负载占用量、子系统流量等，以评估总线选择类型。为了更好的避免设计方面的延时问题，需对总线的时间特性进行建模，分析每条报文的最差响应时间（WCRT），确定当前的系统设计和参数设计是否满足时间约束条件。

3.4.4 多物理场协同仿真

FMI（Functional Mock-up Interface）是独立于软件第三方标准接口协议，任何软件均可基于该协议开发接口，将所建立的模型封装为FMU（Functional Mock-up Unit），实现与其他软件所建立模型的交互和联合仿真［13］。功能模型和物理模型设计完成后，选择FMI标准协议作为桥梁，利用通用标准接口实现功能模型和物理模型的信息交互，开展模型的汇总和联合仿真，以此对系统的功能和性能进行仿真分析、验证及优化。

图11 基于FMU的多物理协同仿真

图12 系统集成验证过程

3.5 集成验证

当综合电子系统完成概念设计阶段R-F-L-P全部流程，提出各子系统设计规范，完成总体协同仿真工作后，按照自向向上的流程逐级完成系统集成验证工作，从综合电子快速原型仿真开始，基于半物理仿真的方法，采用真实产品逐一替换仿真模型/模拟件，增量逐步迭代式的进行系统集成，通过交联试验，不断发现并定位系统级的问题，最终实现全系统的集成、测试与验证，集成验证过程中将仿真/试验结果与需求设计关联，以形成设计验证的闭环。