2023年MBSE在机载显示器设计中的应用.doc

MBSEMBSE 在机载显示器设计中的应用在机载显示器设计中的应用 贺堃 摘要：在机载系统及设备的研发过程中，传统的基于文档的开发方式存在开发周期长、需求验证困难以及更改流程复杂等问题。本文介绍了基于模型的系统工程（MBSE）方法，并在机载显示器的设计中使用航空领域中应用较广的Harmony-SE 方法进行了需求分析、功能分析和设计综合，对 MBSE 在具体产品设计中的应用进行了初步的探索。关键词：MBSE;机载显示器设计;应用 随着机载设备性能需求的日趋增加，机载显示器的功能需求也越來越复杂，从原来简单的数字显示功能逐步发展到具有图形显示，图形生成，信号处理，逻辑控制等复杂功能。在某些机型的设计中，机载显示器还兼具了部分综合处理机的功能。机载显示器作为人机交互设备，其性能优劣直接决定着空勤人员对飞机相关系统的操作感受，由此可见机载显示器作为航电系统的组成部分，其作用已越发重要。基于模型的系统工程（Model-Based Systems Enginerring，MBSE）是一种夸领域、跨学科的系统化思维方法，MBSE 将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，使整个产品变得清晰、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 近些年来已在机载系统和设备的研制过程中得到了初步的应用。一、基于模型的系统工程体系结构 基于模型的系统工程的基础是系统工程，其思想是自顶向下的分解和自底向上的综合，系统工程师完成系统的分解和系统集成，通过用户需求分析、系统功能分析、设计方案权衡和仿真验证，形成系统初步方案。同时将系统分解为子系统或部件，形成部件级或子系统级需求1。MBSE 根据系统工程从需求到系统、组件以及实现之间的分解关系，通过定义产品研制各个阶段（如用户需求、产品要求和结构、组件设计、组件制造等）的模型，实现产品研制过程和信息基于模型的管理，并再次基础上建立了基于模型的系统工程机制。目前世界不同组织及行业针对复杂产品形成了多种 MBSE 方法论，其中 IBM TELELOGIC 的 Harmony-SE 在航空航天领域应用较广泛。Harmony-SE 是大型综合系统和软件开发流程的子集。Harmony-SE 的开发源于 I-Logix 公司，其前身是嵌入式市场中建模工具的主要提供者，所以更适合机载电子系统产品的开发，而基于 IBM Harmony 系统工程开发流程的 Rhapsody 工具，是目前业界应用较广的 MBSE 平台。其用户包括波音、空客、洛克希德马丁，国内一些研究机构和主机厂所等2。二、实现与实例 基于模型的系统工程需求分析、功能分析、架构设计方法已在机载电子系统的系统设计中的得到了应用和推广，在具体产品设计过程中的应用还较少，现以某型多功能显示器为例，描述 MBSE 方法的应用场景。该多功能显示器用于接收并显示来自任务处理计算机的视频信息，在备份模式下自主生成图形。当任务处理计算机或视频接口故障时，显示器可以做为备份飞行电子指示器，显示基本飞行参数，确保飞机安全返航和着陆。本实例重点对产品及架构设计进行描述。（一）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。（二）功能分析 功能分析阶段的目的是分析系统与外部信息的交互模式和系统自身的运行状态，无需关心系统内部结构。形成能描述系统功能及其相互之间关系的一系列模型元素，主要包括活动图、顺序图和状态机，功能分析针对每个用例展开。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。（三）设计综合 设计综合主要是依据产品架构设计，对产品功能进行分析，并将功能分解，定义并分配到相关的组件，在此过程中还需完成产品功能向组件功能的分配，完成产品性能指标向组件的分配3。由于该多功能显示器主要涉及硬件及软件，所以主要有软、硬件功能模块的划分。按照产品的功能可划分为画面生成、画面显示、视频处理、数据通讯、电源转换 5 个主要模块，这些模块，这些模块将以类块的形式存在于模型工程中，并可以在其基础上进行软、硬件的设计、更新和维护。三、问题研究 基于模型的系统工程在需求分析和架构设计阶段主要关注系统的逻辑行为，其工作主要是利用系统建模工具进行设计综合和需求分解，并对系统功能需求进行验证和确认，但作为具体产品的设计，不同专业都有其专业工具，例如结构设计工具 CATIA，硬件设计工具 Altium Designer 等，如何将结构仿真、硬件仿真和系统架构仿真结合在一起将是产品承制单位今后开展 MBSE 工作的重点。现阶段，MBSE 系统建模工具由支持 UML 建模工具扩展而来，几乎所有图形（用例图、顺序图、活动图、状态图）均由人工完成，无法自动生成。事实上，需求模型、结构模型、行为模型可重用元素较多。因此如何通过重用已有的系统设计模型来提高系统建模与设计效率将是模型驱动复杂产品系统建模与设计下一步值得研究与探索的重要问题4。四、结束语 基于模型的系统工程是复杂系统研发的重要创新，对复杂系统的全生命周期有着至关重要的作用。近年来随着 MBSE 在航空航天等复杂系统的研制中得到广泛应用，如何把该方法有效的实践到型号产品的研制中就成为了众多研究人员的课题。本文从 MBSE 的概念、结构进入，基于某型多功能显示器使用 Harmony-SE 流程举例分析 MBSE 在当前机载显示器研制过程中的应用，为今后类似产品的设计做了初步的探索。参考文献：1白洁、吕伟、张磊、邓广宗.基于模型的系统工程在机载电子系统领域的应用.航空制造技术.2015.4：96-99.2韩风宇.基于模型的系统工程在航天器研制中的研究与实践.航天器工程.2014.23（3）：119-125.3王黎明.控制系统基于模型的系统工程开发方法研究D.西安：西安电子科技大学.2013.4刘玉生、蒋玉芹、高曙明.模型驱动的复杂产品系统设计建模综述.中国机械工程.2012.26（6）：741-749.