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基于模型的系统工程在航电系统设计中的研究与仿真

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王扬

摘要：本文将通用的设计方法与航电系统实际设计问题相融合，提出具有针对性的设计意见，并通过仿真建模分析对设计方法进行验证。

关键词：系统工程;航电系统;需求分析;功能分析

：V243：A：1007-9416（2020）02-0128-03

0引言

随着计算机领域技术的跨越式发展，人们对航空电子系统所能完成的任务也有了更多的期待，系统的综合化能力和复杂程度也随之提高，如何在新型的航电系统设计中控制好技术成熟度、进度、质量和成本成为一个摆在我们面前必须解决的难题。也正是由于飞机航电系统综合化程度越来越高，涵盖的功能项目越来越广，我们亟需一套自顶向下囊括需求捕获与分析，功能设计与验证、软硬件开发与测试的系统方法来指导我们的设计。

目前航电设计中面临着以下挑战：（1）需求的捕获、分析、确认和管理不到位。设计主要依赖于个人的经验积累，需求描述存在不确定性，无法保证被无歧义的贯彻，对没有建立需求追踪关系，不能保证所有需求在开发中被完全覆盖，对需求没有经过前期验证，需要依靠原理验证、C型件甚至S型件试验才能发现问题;（2）传统的设计文件采用纸质文档的形式，无统一标准化要求，容易产生二义性，同时单纯的文字和图型难以表达出现代航电复杂的活动过程和内部逻辑变化，因此下游软件设计人员无法全面了解和掌握系统设计人员的思路想法，影响后期实现;（3）缺少一套成体系的方法将航电系统设计中各岗位的工作有机、高效的链接起来，使得各个环节的工作人员都能够非常清晰的了解自己应当负责的工作内容。

1MBSE方法概述

系统工程是一种使系统能成功实现的跨学科的方法和手段。主要应用于系统前期的方案设计阶段，通过科学的方法捕获目的系统的需求并以此开展功能分析，同时支持对多个子系统进行设计综合、接口测试和逻辑验证。

基于模型的系统工程（MBSE）方法：通过为用户提供可视化的模型，引导用户按照需求管理、功能分析、架构设计、集成测试的流程一步步实现对系统需求的分解、建模和综合，经过对初始需求不断的“确认”和“验证”，得到一套完整的确认化需求和一系列可执行模型库，最终通过这样的仿真手段在产品设计前期便查找出后续环节可能存在的隐患和故障问题，大大减少系统设计成本。如图1所示。

近年来，国际领先的航空企业都在积极实践和推进MBSE。例如波音公司、空客公司、洛克希德·马丁公司等，不约而同的在新型号或新产品的设计中全面采用MBSE方法，涉及到系统任务和需求定义及管理、系统功能和内外部接口设计、电子设备和软件的生产及测试、系统架构设计和系统综合等各个领域。

飞机系统是典型的系统之系统，从飞机级看包含了飞控、机电、航电、液压等众多系统，对航电系统进行分解又包含了综合显控系统、综合处理系统、无线电导航系统等分系统。在进行型号设计工作时，需要分开对飞机级和系统级开展建模仿真，上层系统设计结果是进行下层系统设计的输入条件，下层系统设计结果是对上层设计的确认和验证过程，层级之间分工明确，经过不断地迭代过程，最终达到一个最优的设计结果。

MBSE是能够将最初用户需求转化成为可执行功能模型的一整套规范方法，特别针对与复杂系统，按照这样的方法和步骤能够帮助设计员深入了解系统，进行合理的功能划分和接口设计，从而分工完成各部分设计工作，最后再进行系统综合。如图2所示。

按照设计流程首先明确所分析的系统要干什么，即系统的功能是什么，定义为系统工程的黑盒阶段，然后分析系统的功能如何来实现，定义为系统工程的白盒阶段。黑盒阶段和白盒阶段的分析过程基本一致，不同点在于完成黑盒分析后，需要完成一轮架构设计，得到系统的逻辑架构，随后在进行白盒分析时，将各个功能项全部分配到架构设计中划分出来的各个分系统里。

2设计方法研究

2.1需求分析

需求分析阶段工作包括需求定义、系统用例定义和建立追踪关系三部分。将捕获到的初始系统需求从DOORS系统导入到Rhapsody系统中，然后系统进行分析，绘制系统边界，定义系统用例，建立用例和需求之间的追踪关系，确保每一条需求都得到覆盖。

2.1.1需求定义

需求定义是整个MBSE方法最顶层的设计输入，是对用户需求和行业设计规范的条目化管理，需要对需求建立各类属性以便进行分类和查询。通常需求属性包含有编号、类型、状态、阶段等。后续的设计仿真只针对其中功能性需求进行建模。

2.1.2系统用例定义

用例图通过描述系统的各类外部用户和系统之间的交互操作来分解和迭代已有的系统的功能需求，对之前条目化需求进行更新完善，定义用例的过程通常会对需求进行更改、新增和删除，在完成全部用例定义之后，需要将确认之后的需求由Rhapsody系统重新导入到DOORS系统进行完善。

用例模型描述的是系统必须能“做什么”，关注系统是如