基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實(shí)踐 課件 5 MBSE教材講義 第五章 使命任務(wù)定義與需求分析

立足航天、面向工業(yè)、服務(wù)行業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程及MWORKS實(shí)踐聶蘭順教授2024年11月08日立足航天、面向工業(yè)、服務(wù)行業(yè)使命任務(wù)定義與需求分析聶蘭順教授2024年11月08日概述基于統(tǒng)一模型開(kāi)展使命任務(wù)定義與需求分析等工作，論證使命任務(wù)過(guò)程、能力、任務(wù)所需的資源的約束條件，對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)品的需求進(jìn)行逐層細(xì)化分析，保證使命任務(wù)定義的正確性、利益相關(guān)方及其需求識(shí)別的完整性、需求傳遞的一致性、系統(tǒng)功能需求定義的合理性與可行性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)的一體化能力提升使命任務(wù)定義完成使命任務(wù)是復(fù)雜裝備研制的最根本出發(fā)點(diǎn)，是評(píng)價(jià)研制效果與效能的最終目標(biāo)，也是系統(tǒng)工程、MBSE技術(shù)體系第一個(gè)過(guò)程/階段的目標(biāo)；以科研團(tuán)隊(duì)、作戰(zhàn)指揮控制團(tuán)隊(duì)、運(yùn)營(yíng)商等最終用戶甚至更高層次管理機(jī)構(gòu)的戰(zhàn)略任務(wù)為核心輸入，識(shí)別出全生命周期各階段的任務(wù)場(chǎng)景、邊界以及利益相關(guān)方，開(kāi)展各層級(jí)典型任務(wù)場(chǎng)景的數(shù)字化建模，定義裝備系統(tǒng)與外部系統(tǒng)、環(huán)境、用戶之間的交互響應(yīng)關(guān)系，從而完成對(duì)使命任務(wù)的描述、分析、細(xì)化，并支撐提煉出利益相關(guān)方的應(yīng)用需求。使命任務(wù)定義使命任務(wù)定義的輸入最終用戶期望是最終用戶所預(yù)設(shè)的系統(tǒng)核心任務(wù)，既可以表現(xiàn)為簡(jiǎn)短的使命任務(wù)策劃，也可以表現(xiàn)為較為復(fù)雜的任務(wù)書(shū)；對(duì)復(fù)雜裝備總體系統(tǒng)，最終用戶期望是指裝備戰(zhàn)略目標(biāo)，以及由之分解而來(lái)的系統(tǒng)能力以及外部接口關(guān)系；對(duì)分系統(tǒng)及以下層級(jí)的產(chǎn)品，最終用戶期望是指在向上一層級(jí)交付此目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，上一級(jí)系統(tǒng)對(duì)其的功能預(yù)期其他利益相關(guān)方期望是指除直接用戶之外的利益相關(guān)方期望；測(cè)試性、可靠性、維護(hù)性、保障性即為此類利益相關(guān)方期望的明確表達(dá)繼承性需求是系統(tǒng)需要滿足更高級(jí)用戶或者更高級(jí)系統(tǒng)的整體性要求，此類需求有天然的繼承性要求，能夠幫助建立本層級(jí)的用戶期望使命任務(wù)定義使命任務(wù)定義的主要活動(dòng)利益相關(guān)方識(shí)別確定與系統(tǒng)相關(guān)的各利益相關(guān)方，為需求收集、任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)與建模等工作提供完整的角色清單，從而保證任務(wù)分析、系統(tǒng)需求分析過(guò)程的完整性和準(zhǔn)確性；利益相關(guān)方期望識(shí)別以戰(zhàn)略目標(biāo)、使命任務(wù)、需求輸入等不同方式識(shí)別出利益相關(guān)方對(duì)系統(tǒng)的預(yù)期要求；任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)與建模描述最終用戶所要求的任務(wù)場(chǎng)景，根據(jù)其他利益相關(guān)方的訴求，盡可能完整地開(kāi)展任務(wù)場(chǎng)景描述，界定相關(guān)內(nèi)外部系統(tǒng)的物理與邏輯結(jié)構(gòu)，識(shí)別和確定各類任務(wù)場(chǎng)景中系統(tǒng)與外部環(huán)境、外部系統(tǒng)之間的交互關(guān)系，明確定義系統(tǒng)的輸入和輸出；利益相關(guān)方需求收集根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景中所描述的系統(tǒng)接口、能力要求、操作過(guò)程等來(lái)收集利益相關(guān)方需求。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方識(shí)別利益相關(guān)方利益相關(guān)方是指其權(quán)益會(huì)被系統(tǒng)能力或研制應(yīng)用過(guò)程影響的群體或個(gè)人；系統(tǒng)用戶一般是最重要的利益相關(guān)方；針對(duì)系統(tǒng)的不同層級(jí)、不同專業(yè)，可能需要面向不同的利益相關(guān)方；實(shí)際工作中，也需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)流程開(kāi)展工作；利益相關(guān)方類型管理人員；投資者；用戶；維護(hù)人員；培訓(xùn)人員；可用性和效能專家；政府；標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)；監(jiān)管部門(mén)利益相關(guān)方期望識(shí)別用例圖描述核心使命任務(wù)或者系統(tǒng)戰(zhàn)略目標(biāo)；主要包含用例和參與者兩個(gè)元素。利益相關(guān)方期望識(shí)別用例圖作為運(yùn)行使用構(gòu)想的結(jié)構(gòu)化表達(dá)，是獲取并描述利益相關(guān)方期望的重要手段，用于確定系統(tǒng)需求和運(yùn)行邊界，是系統(tǒng)中與用戶相關(guān)聯(lián)的需求開(kāi)發(fā)和結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)的出發(fā)點(diǎn)，是此后各類系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型、仿真模型、描述文檔的開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方期望識(shí)別示例如圖為某深空探測(cè)工程系統(tǒng)用例圖該用例包括三個(gè)參與者及四個(gè)用例。三個(gè)參與者分別為地面指揮系統(tǒng)、目標(biāo)星體（火星）及太空。四個(gè)用例分別代表探測(cè)工程所需執(zhí)行的場(chǎng)景，即發(fā)射與部署、軌道控制與導(dǎo)航、儀器操作與控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸。使命任務(wù)定義概述任務(wù)場(chǎng)景模型是對(duì)利益相關(guān)方期望的具體化表示，是對(duì)運(yùn)行構(gòu)想的展開(kāi)描述，是系統(tǒng)需求中的重要根據(jù)，其建模元素可以包括用例圖、活動(dòng)圖等行為模型，通過(guò)完善的描述并考察任務(wù)場(chǎng)景，經(jīng)常能揭示出可能會(huì)被忽視的需求和設(shè)計(jì)要求任務(wù)分解任務(wù)場(chǎng)景建模應(yīng)考慮運(yùn)行使用的所有環(huán)節(jié)，包括在集成、試驗(yàn)、部署直到廢棄/處置過(guò)程中的全部計(jì)劃和非計(jì)劃運(yùn)行使用。為了開(kāi)發(fā)可用的、完備的任務(wù)場(chǎng)景模型，需要從戰(zhàn)略目標(biāo)、使命任務(wù)出發(fā)，以類似窮舉的方式，對(duì)其中包含的子任務(wù)或者具體的工作場(chǎng)景進(jìn)行完整分析，同時(shí)還當(dāng)考慮典型的故障、退化等故障模式下的運(yùn)行使用場(chǎng)景，從而能夠正確指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。任務(wù)場(chǎng)景模型中包含的典型信息有：系統(tǒng)生命周期各個(gè)階段的典型場(chǎng)景、運(yùn)行使用時(shí)間基線、運(yùn)行使用場(chǎng)景、故障管理策略、人機(jī)接口、維修保障需求、系統(tǒng)端到端通信過(guò)程、運(yùn)行使用設(shè)施、任務(wù)邏輯過(guò)程與關(guān)鍵事件等任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)與建模使命任務(wù)定義任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的具體工作過(guò)程與任務(wù)特點(diǎn)聯(lián)系緊密；需要形成與行業(yè)特點(diǎn)相匹配的具體執(zhí)行路線；以某飛行器的任務(wù)分析過(guò)程為例，可以采用飛行任務(wù)剖面的方法描述飛行器的任務(wù)及環(huán)境，該剖面說(shuō)明了飛行器系統(tǒng)在全生命周期經(jīng)歷的事件以及事件順序、持續(xù)時(shí)間、環(huán)境及系統(tǒng)工作方式。飛行任務(wù)執(zhí)行是基于任務(wù)事件列表實(shí)現(xiàn)的。任務(wù)事件列表是指包含完成標(biāo)稱任務(wù)以及突發(fā)性場(chǎng)景所必需的所有任務(wù)事件的順序集合，包括任務(wù)段、任務(wù)節(jié)以及分系統(tǒng)活動(dòng)三個(gè)層次，分別對(duì)應(yīng)飛行任務(wù)的頂層、中間層和底層描述。其中，任務(wù)段描述飛行任務(wù)的主要任務(wù)階段；每個(gè)任務(wù)段包含若干任務(wù)節(jié)，對(duì)應(yīng)于該任務(wù)段中需要完成的主要事件；分系統(tǒng)活動(dòng)是底層也是最細(xì)節(jié)的任務(wù)描述，每個(gè)任務(wù)段與任務(wù)節(jié)都是通過(guò)順序執(zhí)行分系統(tǒng)活動(dòng)序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。因此任務(wù)分析涉及的元素包括任務(wù)、子任務(wù)、任務(wù)段、任務(wù)事件、子事件、活動(dòng)、狀態(tài)等。使命任務(wù)定義任務(wù)場(chǎng)景建模任務(wù)場(chǎng)景建模從戰(zhàn)略級(jí)目標(biāo)出發(fā)，按照層級(jí)和分解關(guān)系，對(duì)系統(tǒng)使命任務(wù)進(jìn)行初步分解任務(wù)場(chǎng)景模型既可以從零開(kāi)始全新創(chuàng)建，也可以從外部任務(wù)模型或需求文件導(dǎo)入，設(shè)置任務(wù)參數(shù)與核心技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)用例圖識(shí)別任務(wù)利益相關(guān)方、外部環(huán)境對(duì)象、系統(tǒng)邊界等任務(wù)場(chǎng)景通用元素，并建立其形式化定義，明確各個(gè)場(chǎng)景的核心活動(dòng)、內(nèi)外部系統(tǒng)以及用戶與系統(tǒng)之間的交互活動(dòng)。使命任務(wù)定義任務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)與建模示例某型號(hào)軍艦?zāi)芡瑫r(shí)具備以下幾種功能：①在指定海域?qū)雇廛婒?qū)逐艦；②進(jìn)行對(duì)?；?qū)沾驌簦虎蹐?zhí)行反恐作戰(zhàn)；在MBSE方法中，采用模型的方式來(lái)描述功能需求，因?yàn)橛美龍D能較好地表示系統(tǒng)邊界、使用者以及使用者使用系統(tǒng)進(jìn)行的頂層活動(dòng)，所以，對(duì)軍方的功能需求，采用如圖所示的用例圖進(jìn)行描述；該用例圖僅僅表示了頂層的功能需求，為了進(jìn)一步細(xì)化需求，還需要進(jìn)行專門(mén)的作戰(zhàn)推演；在某些場(chǎng)合，任務(wù)分析過(guò)程還可以進(jìn)一步細(xì)化，將用例圖展開(kāi)細(xì)化為活動(dòng)圖，從而將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)功能需求列表。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方需求來(lái)源與利益相關(guān)方交談承擔(dān)這項(xiàng)任務(wù)的人員需要善于溝通，能夠從與利益相關(guān)方的交談中挖掘出真正的需求；提取利益相關(guān)方需求是一項(xiàng)與人有關(guān)的問(wèn)題而不是技術(shù)問(wèn)題，因此需要提前了解利益相關(guān)方的領(lǐng)域。從非正式文件中提取需求非正式文件可能包含隱含需求；這類需求也應(yīng)明確提出，要注意記錄需求來(lái)源。從場(chǎng)景中識(shí)別能力需求開(kāi)發(fā)出任務(wù)場(chǎng)景模型之后，可以直接從場(chǎng)景中識(shí)別能力需求。需求研討會(huì)是快速獲取和捕獲需求的有效方式；研討會(huì)應(yīng)具有一定的形式，而且也應(yīng)該迭代。從經(jīng)驗(yàn)中借鑒還可以從經(jīng)驗(yàn)中借鑒，提取需求。利益相關(guān)方需求收集使命任務(wù)定義利益相關(guān)方需求收集方法將利益相關(guān)方需求與任務(wù)場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)利益相關(guān)方需求與任務(wù)場(chǎng)景之間具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，需要在模型層面加以表達(dá)。通過(guò)圖形化視圖與條目化視圖的關(guān)聯(lián)映射，將需求條目與用例節(jié)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，開(kāi)展需求分解、屬性定義，并支持階段任務(wù)節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)需求節(jié)點(diǎn)與用例節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)映射，支持這三種建模元素之間的追溯性、覆蓋性分析與初步量化計(jì)算。將需求與用例關(guān)聯(lián)，同時(shí)根據(jù)用例指標(biāo)為需求創(chuàng)建指標(biāo)，一一對(duì)應(yīng)，形成需求條目利益相關(guān)方需求收集使命任務(wù)定義任務(wù)需求分解任務(wù)需求可以整理為層級(jí)化的形式，既可以采用需求圖、需求匯總表的形式進(jìn)行建模，也能采用樹(shù)狀圖進(jìn)行組織，直觀地表現(xiàn)出任務(wù)需求的分解與繼承關(guān)系，每個(gè)需求節(jié)點(diǎn)還可以進(jìn)行參數(shù)化定義，并給出具體解釋。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方需求完善在上述基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)裝備特征、經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)規(guī)范等對(duì)需求及其指標(biāo)進(jìn)行完善，包括系統(tǒng)性能方面以及非功能特性方面的需求形成需求結(jié)構(gòu)樹(shù)，并補(bǔ)充每個(gè)需求條目對(duì)應(yīng)的值、單位、引用變量、描述、備注等信息，從而形成每條需求的完整描述。全部需求可以根據(jù)其層次化關(guān)系進(jìn)行編號(hào)，具有相同的模型結(jié)構(gòu)，能夠以列表或者矩陣的形式進(jìn)行統(tǒng)一展示，形成最終的條目化需求匯總表需求分析轉(zhuǎn)換成經(jīng)過(guò)初步評(píng)估的系統(tǒng)功能需求完備集，傳統(tǒng)上，裝備系統(tǒng)研制采用基于文檔的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)需求的表述強(qiáng)調(diào)其文字格式以利益相關(guān)者期望、任務(wù)場(chǎng)景和利益相關(guān)者需求為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)任務(wù)場(chǎng)景的執(zhí)行過(guò)程開(kāi)展進(jìn)一步的細(xì)化分析，將利益相關(guān)者需求轉(zhuǎn)化成為系統(tǒng)功能需求模型和資源約束模型，從而能夠指導(dǎo)系統(tǒng)功能和架構(gòu)設(shè)計(jì)需求分析利益相關(guān)方需求以利益相關(guān)方團(tuán)隊(duì)為主要關(guān)注點(diǎn)，主要描述的是系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的應(yīng)用、維護(hù)、保障特性，是從外部視點(diǎn)對(duì)裝備系統(tǒng)特性的表達(dá)；需要在利益相關(guān)方需求的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將其展開(kāi)為不同任務(wù)場(chǎng)景下的功能邏輯，并識(shí)別出功能需求列表，支持系統(tǒng)功能和架構(gòu)設(shè)計(jì)；功能需求分析之前，需要通過(guò)對(duì)任務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行細(xì)化，將任務(wù)場(chǎng)景分解為任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的系統(tǒng)活動(dòng)，識(shí)別出任務(wù)場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)的功能需求；分析滿足利益相關(guān)方需求所需要具備的功能，進(jìn)行功能定義和分解，通過(guò)功能庫(kù)和指標(biāo)庫(kù)對(duì)功能輸入輸出參數(shù)和行為指標(biāo)進(jìn)行定義，通過(guò)搭建活動(dòng)圖細(xì)化用例圖，并將冗余功能合并，最后確定功能指標(biāo)并進(jìn)行配置，進(jìn)行功能覆蓋性需求分析，完成功能需求分析過(guò)程，得到功能模型和功能需求。功能需求分析需求分析以水下無(wú)人航行器（UUV）的建模過(guò)程為例，UUV初始航行活動(dòng)圖包括初始航行參數(shù)確定，由電路信息系統(tǒng)進(jìn)行功能承載，聲自導(dǎo)系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的開(kāi)啟也由電路信息系統(tǒng)承載，聲自導(dǎo)系統(tǒng)工作由探測(cè)系統(tǒng)承載，動(dòng)力系統(tǒng)工作由動(dòng)力系統(tǒng)承載，其中，聲自導(dǎo)系統(tǒng)工作和動(dòng)力系統(tǒng)工作都能夠繼續(xù)細(xì)化；在上述活動(dòng)圖基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的工作過(guò)程進(jìn)行分解，根據(jù)任務(wù)邏輯的分支狀態(tài)，對(duì)系統(tǒng)的狀態(tài)變化進(jìn)行定義，以狀態(tài)機(jī)圖的形式，對(duì)其進(jìn)行建模，從而能夠更加科學(xué)地進(jìn)行分解和設(shè)計(jì)；繼續(xù)以上述UUV的建模過(guò)程為例，對(duì)UUV總體攻擊過(guò)程進(jìn)行分析，將UUV攻擊過(guò)程分為搜索目標(biāo)狀態(tài)、追蹤目標(biāo)狀態(tài)、攻擊目標(biāo)狀態(tài)和完成任務(wù)狀態(tài)；在系統(tǒng)總體功能分析基礎(chǔ)上，還可以圍繞下一級(jí)任務(wù)場(chǎng)景或者系統(tǒng)活動(dòng)進(jìn)一步逐條開(kāi)展每項(xiàng)子任務(wù)的功能分析，然后將每項(xiàng)子任務(wù)的工作過(guò)程表現(xiàn)為順序執(zhí)行的活動(dòng)圖，也可以進(jìn)一步完善和豐富系統(tǒng)狀態(tài)機(jī)圖模型，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能分析、功能需求定義和功能邏輯定義的逐步迭代完善；上述攻擊過(guò)程可以進(jìn)一步分解為平臺(tái)發(fā)射、目標(biāo)博弈對(duì)抗和聲對(duì)抗、初始航行、搜索目標(biāo)、捕獲目標(biāo)、穩(wěn)定追蹤目標(biāo)、命中目標(biāo)及毀傷目標(biāo)等，每個(gè)子任務(wù)還可以表達(dá)為多個(gè)系統(tǒng)功能之間的配合關(guān)系，以白盒活動(dòng)圖的形式對(duì)其進(jìn)行建模描述。其中，穩(wěn)定追蹤目標(biāo)活動(dòng)圖如圖所示。功能需求分析需求分析需求分析穩(wěn)定追蹤目標(biāo)活動(dòng)圖還可以進(jìn)一步分解；對(duì)任務(wù)場(chǎng)景逐一進(jìn)行分析，提煉出系統(tǒng)的大量功能需求，全部系統(tǒng)功能需求可以匯總成為功能需求總圖，然后可以根據(jù)功能的相似性或者模塊化特點(diǎn)進(jìn)行組合，形成功能需求的層級(jí)化分類關(guān)系，形成需求圖模型；功能需求條目是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的直接目標(biāo)；在功能需求之外還會(huì)定義系統(tǒng)性能指標(biāo)。需求分析在系統(tǒng)設(shè)計(jì)早期，往往還要考慮到不同分系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)功能的支持作用，需要根據(jù)系統(tǒng)的初始概念架構(gòu)對(duì)其進(jìn)行分解分配，對(duì)系統(tǒng)功能邏輯進(jìn)行細(xì)化分解，描述不同分系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的功能定位，表達(dá)各個(gè)系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中的先后工作順序以及邏輯接口關(guān)系，分解成為各個(gè)子系統(tǒng)需求。功能需求分解與分配需求分析UUV探測(cè)系統(tǒng)功能分解需求分析資源約束分析約束表達(dá)式基于使命任務(wù)定義和需求分析的結(jié)果，對(duì)系統(tǒng)所依賴的資源進(jìn)行約束分析。通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)定義資源約束表達(dá)式，約束表達(dá)式中的變量稱為約束參數(shù)。約束參數(shù)從它們綁定的值屬性那里獲得值，也就是被約束的值屬性時(shí)間約束時(shí)間約束會(huì)指定單個(gè)事件發(fā)生所需要的時(shí)間間隔期間約束期間約束會(huì)指定兩個(gè)事件發(fā)生所需的時(shí)間間隔狀態(tài)常量狀態(tài)常量是一個(gè)條件，可以在特定的事件發(fā)生之前（緊挨著的）指定給特定的生命線需求分析資源約束分析利益相關(guān)方約束和系統(tǒng)需求約束利益相關(guān)方約束是指利益相關(guān)方希望得到的結(jié)果。系統(tǒng)需求約束是指影響產(chǎn)品品質(zhì)的“專業(yè)”或工程約束，所有利益相關(guān)方約束都必須在系統(tǒng)需求約束中闡明。利益相關(guān)方約束有時(shí)必須