基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實(shí)踐 課件 6 MBSE教材講義 第六章 系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證

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)系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證聶蘭順教授2024年11月08日概述系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證階段主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作，定義系統(tǒng)具體的功能設(shè)計(jì)、組成結(jié)構(gòu)、接口形式、參數(shù)定義以及分系統(tǒng)的基本選型、功能定義與技術(shù)指標(biāo)等內(nèi)容，明確系統(tǒng)各項(xiàng)任務(wù)場(chǎng)景的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，以及系統(tǒng)整體的實(shí)現(xiàn)方式；該階段包括系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、可行性驗(yàn)證三個(gè)部分，前兩部分內(nèi)容分別針對(duì)系統(tǒng)、分系統(tǒng)層面開展方案設(shè)計(jì)，可行性驗(yàn)證部分則是對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)將進(jìn)行初步的評(píng)估，確認(rèn)其是否能夠完整地覆蓋了系統(tǒng)需求。系統(tǒng)架構(gòu)定義系統(tǒng)架構(gòu)是系統(tǒng)工程的基石，是對(duì)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)和行為的抽象表示；承接使命任務(wù)定義與需求分析階段產(chǎn)生的各類模型，開展系統(tǒng)功能、運(yùn)行邏輯、功能接口關(guān)系的細(xì)化建模，根據(jù)需求分析過(guò)程形成的系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)，定義系統(tǒng)架構(gòu)、組成、接口關(guān)系以及功能和設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)一步擴(kuò)展完成分系統(tǒng)組成定義，建立各個(gè)分系統(tǒng)功能交互響應(yīng)的白盒功能分析模型，形成分系統(tǒng)的功能、接口和參數(shù)要求；系統(tǒng)架構(gòu)定義首先需要進(jìn)行系統(tǒng)邊界定義，然后進(jìn)行功能建模和架構(gòu)建模，還需要進(jìn)行系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)。系統(tǒng)架構(gòu)定義功能建模包括系統(tǒng)功能識(shí)別、功能接口定義和需求與功能關(guān)聯(lián)系統(tǒng)功能識(shí)別基于之前定義的任務(wù)場(chǎng)景和需求模型，通過(guò)各類行為圖建立任務(wù)場(chǎng)景的具體執(zhí)行過(guò)程，根據(jù)系統(tǒng)組成的初步定義，將其表達(dá)為多個(gè)分系統(tǒng)功能交互響應(yīng)的白盒模型，從而識(shí)別系統(tǒng)需要執(zhí)行的功能。這些功能可以通過(guò)與利益相關(guān)方的討論和需求分析得到，通過(guò)白盒模型可以將高級(jí)功能分解為更小、更具體的子功能，從而更好地理解系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和功能間的關(guān)系。功能接口定義根據(jù)白盒模型行為圖中各分系統(tǒng)功能之間的交互關(guān)系，定義不同功能之間的接口，包括輸入、輸出和相互作用等，確保這些接口在整個(gè)系統(tǒng)中保持一致性。注意，功能接口是抽象接口，在實(shí)際系統(tǒng)中并不存在。需求與功能關(guān)聯(lián)將系統(tǒng)需求條目與功能條目顯性關(guān)聯(lián)，確保每個(gè)功能都可以追蹤到系統(tǒng)需求，以驗(yàn)證系統(tǒng)是否滿足所有的設(shè)計(jì)規(guī)范和性能標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)一步確認(rèn)系統(tǒng)需求是否全部被覆蓋及可追溯。功能建模系統(tǒng)架構(gòu)定義以某深空探測(cè)工程系統(tǒng)為例，對(duì)功能建模部分進(jìn)行說(shuō)明系統(tǒng)功能識(shí)別活動(dòng)圖可以用來(lái)表示一個(gè)系統(tǒng)或過(guò)程中的活動(dòng)和操作?；顒?dòng)圖通常用于說(shuō)明一個(gè)用例中包含的步驟以及各個(gè)步驟之間的順序關(guān)系。通過(guò)活動(dòng)圖，可以更好地理解用例所描述的業(yè)務(wù)流程；狀態(tài)機(jī)圖可以用來(lái)表示一個(gè)對(duì)象的狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)狀態(tài)機(jī)圖，可以更好地理解用例中所描述的系統(tǒng)或?qū)ο蟮臓顟B(tài)變化規(guī)律；序列圖可以用來(lái)表示一個(gè)系統(tǒng)或?qū)ο笾械牟煌瑢?duì)象之間的交互。序列圖通常用于說(shuō)明一個(gè)用例中包含的步驟以及各個(gè)步驟涉及對(duì)象之間的相互作用及數(shù)據(jù)交互。通過(guò)序列圖，可以更好地理解用例中所描述的業(yè)務(wù)流程中各個(gè)對(duì)象之間的交互關(guān)系。功能建模系統(tǒng)架構(gòu)定義以某深空探測(cè)工程系統(tǒng)為例，對(duì)功能建模部分進(jìn)行說(shuō)明系統(tǒng)功能識(shí)別上述三類行為圖均可以描述系統(tǒng)功能，以數(shù)據(jù)采集與傳輸為例進(jìn)行說(shuō)明。生命線：測(cè)控與回收系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)、火星。數(shù)據(jù)交互過(guò)程：測(cè)控與回收系統(tǒng)發(fā)出采集數(shù)據(jù)指令給探測(cè)器系統(tǒng)，探測(cè)器系統(tǒng)收到采集數(shù)據(jù)指令，開始采集火星相關(guān)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理后，將采集的數(shù)據(jù)傳輸給測(cè)控與回收系統(tǒng)。功能建模系統(tǒng)架構(gòu)定義功能接口定義識(shí)別功能接口是通過(guò)分析系統(tǒng)中不同功能模塊之間的聯(lián)系和作用來(lái)確定各模塊之間的接口，這個(gè)過(guò)程需要深入理解系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯和技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并對(duì)功能進(jìn)行全面的分析和評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和管理具有關(guān)鍵作用。以發(fā)射與部署活動(dòng)圖為例，通過(guò)分析不同活動(dòng)之間的數(shù)據(jù)、信號(hào)、能量傳遞過(guò)程；準(zhǔn)確識(shí)別功能接口，能夠更好地把握系統(tǒng)中各組件之間的聯(lián)系和作用，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)提供參考依據(jù)。系統(tǒng)架構(gòu)定義需求與功能關(guān)聯(lián)通過(guò)需求與功能關(guān)聯(lián)可以追蹤功能到需求。系統(tǒng)架構(gòu)定義需求與功能關(guān)聯(lián)需求與功能關(guān)聯(lián)為需求追溯提供了基礎(chǔ)。通過(guò)建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，開發(fā)團(tuán)隊(duì)可以追蹤每個(gè)需求對(duì)應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也能夠反向追溯每個(gè)功能所涉及的需求，通過(guò)需求追溯矩陣可以清楚地了解每個(gè)需求是否已經(jīng)與相應(yīng)的功能對(duì)應(yīng)起來(lái)，以及是否已經(jīng)分解或?qū)崿F(xiàn)。需求追溯矩陣為需求變更管理提供了基礎(chǔ)。系統(tǒng)架構(gòu)定義架構(gòu)建模架構(gòu)建模涉及系統(tǒng)內(nèi)部組件之間的關(guān)系與連接，包括物理和邏輯方面。架構(gòu)建模涉及系統(tǒng)組成定義、參數(shù)定義、系統(tǒng)內(nèi)部接口定義等。系統(tǒng)組成定義系統(tǒng)組成定義需要確定構(gòu)成系統(tǒng)的各個(gè)分系統(tǒng)，可能包括硬件、軟件、傳感器、執(zhí)行器等。參數(shù)定義參數(shù)定義需要明確定義分系統(tǒng)或系統(tǒng)的參數(shù)，包括典型特征、基本參數(shù)、性能指標(biāo)等，并確保這些參數(shù)符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)內(nèi)部接口定義系統(tǒng)內(nèi)部接口定義描述系統(tǒng)內(nèi)部分系統(tǒng)之間的連接關(guān)系。系統(tǒng)架構(gòu)定義架構(gòu)建模以某深空探測(cè)工程系統(tǒng)為例，對(duì)架構(gòu)建模部分進(jìn)行簡(jiǎn)要描述系統(tǒng)組成定義基于黑盒用例分析發(fā)射與部署、軌道控制與導(dǎo)航、儀器操作與控制、數(shù)據(jù)采集與輸出等功能實(shí)現(xiàn)所需的實(shí)際物理系統(tǒng)，識(shí)別其系統(tǒng)組成，包括發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)、運(yùn)載火箭系統(tǒng)、探測(cè)器系統(tǒng)、測(cè)控與回收系統(tǒng)及地面應(yīng)用系統(tǒng)五大分系統(tǒng)參數(shù)定義通過(guò)分析功能和需求，初步定義各分系統(tǒng)的參數(shù)系統(tǒng)內(nèi)部接口定義通過(guò)分析不同組件之間的交互關(guān)系，初步定義各分系統(tǒng)之間的連接關(guān)系系統(tǒng)架構(gòu)定義系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工程中，系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)是確保不同組件、分系統(tǒng)或系統(tǒng)之間有效通信和協(xié)作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。良好設(shè)計(jì)的系統(tǒng)接口能夠提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性以及整體的集成水平系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)是系統(tǒng)工程的橋梁，連接著系統(tǒng)內(nèi)外部的各個(gè)組件系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)直接關(guān)系到系統(tǒng)的模塊化和可維護(hù)性系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)有助于實(shí)現(xiàn)跨團(tuán)隊(duì)協(xié)作系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工程的不同階段都發(fā)揮著關(guān)鍵的作用在MBSE方法中，接口的建模和分析成為關(guān)鍵任務(wù)。通過(guò)MBSE工具，系統(tǒng)工程師可以創(chuàng)建直觀的接口模型，以圖形化的方式表示系統(tǒng)內(nèi)外部組件之間的交互關(guān)系，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的可視性和可理解性。系統(tǒng)架構(gòu)定義通過(guò)分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，確定需要定義接口的組件有助于明確系統(tǒng)中各個(gè)組件之間的關(guān)系和依賴程度通過(guò)識(shí)別每個(gè)組件的輸入和輸出需求，可以定義適當(dāng)?shù)慕涌趤?lái)實(shí)現(xiàn)組件之間的交互和通信。完成功能和數(shù)據(jù)流分析后，通過(guò)功能分配，將功能與分系統(tǒng)組件進(jìn)行匹配。將所有的功能邏輯接口進(jìn)行提煉，得到不同的系統(tǒng)接口并定義其屬性分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在系統(tǒng)工程中，分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)是將整個(gè)系統(tǒng)劃分為相對(duì)獨(dú)立的分系統(tǒng)或模塊的過(guò)程，旨在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化和可維護(hù)性；分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的目標(biāo)在于將整個(gè)系統(tǒng)劃分為相互獨(dú)立、功能明確的分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)負(fù)責(zé)特定的任務(wù)或功能。將系統(tǒng)劃分為獨(dú)立的分系統(tǒng)，可以提高系統(tǒng)的模塊化程度，每個(gè)分系統(tǒng)都能夠獨(dú)立開發(fā)、測(cè)試和維護(hù)；在進(jìn)行分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，遵循一系列指導(dǎo)原則對(duì)確保設(shè)計(jì)的健壯性和可維護(hù)性至關(guān)重要，包括模塊化設(shè)計(jì)、最小化耦合、最大化內(nèi)聚和接口明確原則；在上述指導(dǎo)原則的基礎(chǔ)上，MWORKS.Sysbuilder提供了專門針對(duì)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)模塊，將分系統(tǒng)、組件的功能定義為專門的功能模塊，提供專用的模板化選型、分系統(tǒng)參數(shù)定義、技術(shù)指標(biāo)的快速計(jì)算驗(yàn)證功能。分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)概述分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)流程如圖所示，具體功能如下分系統(tǒng)選型支持專項(xiàng)功能的選型，如推進(jìn)功能專項(xiàng)設(shè)計(jì)中的發(fā)動(dòng)機(jī)選型、貯箱選型，能源專項(xiàng)設(shè)計(jì)中的太陽(yáng)翼帆板選型、電池選型等。分系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)支持專項(xiàng)功能的參數(shù)設(shè)計(jì)，根據(jù)功能分析中定義的指標(biāo)，確定參數(shù)值。也可自由調(diào)整專項(xiàng)功能的輸入、輸出參數(shù)。分系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)對(duì)重點(diǎn)功能，以MWORKS.Sysplorer的系統(tǒng)建模仿真求解內(nèi)核為支撐，支持專項(xiàng)原理設(shè)計(jì)，提供通用的原理建模功能。分系統(tǒng)指標(biāo)計(jì)算以內(nèi)嵌的Modelica模型為資源，通過(guò)設(shè)計(jì)的參數(shù)值驅(qū)動(dòng)仿真運(yùn)行，利用仿真結(jié)果計(jì)算分系統(tǒng)指標(biāo)，驗(yàn)證分系統(tǒng)需求的實(shí)現(xiàn)情況。分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分系統(tǒng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)分系統(tǒng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)主要用于開展分系統(tǒng)、組件或者某專業(yè)或?qū)ｍ?xiàng)功能的方案設(shè)計(jì)工作；分系統(tǒng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)模塊提供了參數(shù)化、設(shè)計(jì)仿真集成的專項(xiàng)快速設(shè)計(jì)能力；多專業(yè)設(shè)計(jì)活動(dòng)具體示例如圖所示。分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分系統(tǒng)專項(xiàng)設(shè)計(jì)在完成各分系統(tǒng)、組件的Modelica建模后，可以將其導(dǎo)入MWORKS.Sysbuilder中，作為分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模板；以某航天器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)專項(xiàng)設(shè)計(jì)為例，其中包含動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測(cè)量敏感器三大類。以動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)中的太陽(yáng)翼帆板為例，Modelica仿真模型能夠支撐三種不同類型的太陽(yáng)翼帆板，可根據(jù)具體情況進(jìn)行設(shè)備選型；可以查看每種太陽(yáng)翼帆板的技術(shù)指標(biāo)，例如，選擇Bell太陽(yáng)翼帆板，查看其質(zhì)量、電功耗、熱耗等技術(shù)指標(biāo)，方便根據(jù)需求進(jìn)行初步選型；選型之后，可以進(jìn)一步根據(jù)分系統(tǒng)、組件的指標(biāo)和需求，結(jié)合選型設(shè)計(jì)確定的專項(xiàng)基本模型，調(diào)整指標(biāo)值；基于系統(tǒng)總體架構(gòu)，將動(dòng)力、電氣結(jié)構(gòu)、信息流、控制等各分系統(tǒng)方案集成，形成完整的系統(tǒng)總體方案，在設(shè)計(jì)一覽頁(yè)面中將會(huì)顯示分系統(tǒng)方案的各項(xiàng)指標(biāo)。分系統(tǒng)方案評(píng)估在完成分系統(tǒng)的選型和參數(shù)設(shè)計(jì)之后，接下來(lái)可以進(jìn)行仿真模型的驅(qū)動(dòng)以開展分系統(tǒng)方案的評(píng)估可行性論證在系統(tǒng)工程領(lǐng)域，MBSE方法被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、開發(fā)和驗(yàn)證復(fù)雜系統(tǒng)的方案。其中，可行性論證是確保系統(tǒng)滿足需求并能夠成功實(shí)現(xiàn)的重要步驟之一，其主要活動(dòng)如圖所示。將詳細(xì)描述MBSE方法中可行性論證的關(guān)鍵內(nèi)容，包括需求追溯性分析、需求覆蓋性分析、約束模型驗(yàn)證。需求追溯性分析與需求覆蓋性分析需求追溯性分析與需求覆蓋性分析需求追溯性分析是指跟蹤和確認(rèn)系統(tǒng)需求從其來(lái)源到最終實(shí)現(xiàn)的過(guò)程；需求覆蓋性分析是指驗(yàn)證系統(tǒng)方案是否能夠滿足系統(tǒng)需求。需求追溯性分析與需求覆蓋性分析約束模型驗(yàn)證可以通過(guò)約束模型對(duì)系統(tǒng)各類資源、參數(shù)的滿足關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證，也可以進(jìn)行各項(xiàng)需求、技術(shù)指標(biāo)的初期驗(yàn)證評(píng)估；在MBSE方法中，可以使用參數(shù)圖來(lái)表示系統(tǒng)架構(gòu)模型中的參數(shù)和變量之間的關(guān)系。通過(guò)對(duì)參數(shù)圖進(jìn)行計(jì)算和仿真，可以獲得系統(tǒng)方案的性能指標(biāo)，并以此來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的可行性；約束模型本質(zhì)上也是參數(shù)圖的一種變種，都是以公式化的形式描述系統(tǒng)參數(shù)、各類技術(shù)指標(biāo)的約束關(guān)系。MWORKS.Sysbuilder通過(guò)樹狀圖+節(jié)點(diǎn)的形式能夠?qū)⒓s束模型進(jìn)行層級(jí)化的展示，從而形成更直觀的模型結(jié)構(gòu)，便于模型組織與信息傳遞。在約束模型內(nèi)部，可以通過(guò)公式編輯和拖動(dòng)式關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)約束模型的定義，建模方式更加方便易用。本章小結(jié)在MBSE方法中，系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證階段是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初期階段。本章介紹了系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和可行性論證等工作，并以某深空探測(cè)工程系統(tǒng)作為