基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實(shí)踐 課件 8 MBSE教材講義 第八章 應(yīng)用案例

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)應(yīng)用案例聶蘭順教授2024年11月08日概述火星車與地球衛(wèi)星或月球探測(cè)器相比，其光照強(qiáng)度、溫度變化、空間粒子輻照等飛行環(huán)境以及飛行任務(wù)都有很大的不同，這就要求火星車系統(tǒng)能夠適應(yīng)各階段的空間環(huán)境變化，保證火星車能夠可靠完成火星探測(cè)任務(wù)?；鹦擒囅到y(tǒng)面臨的環(huán)境新、接口多、研制任務(wù)重、過(guò)程復(fù)雜等特點(diǎn)，為了在設(shè)計(jì)、綜合測(cè)試等階段，更好地掌握火星車系統(tǒng)的工作狀態(tài)和性能指標(biāo)，需要進(jìn)行火星車系統(tǒng)的快速方案論證。本章基于前述章節(jié)的“三階段六過(guò)程”MBSE方案設(shè)計(jì)論證方法，針對(duì)火星車系統(tǒng)，開(kāi)展使命任務(wù)定義與需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證及運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估全流程案例應(yīng)用，從而為學(xué)習(xí)本教材的學(xué)員提供一整套MBSE案例。使命任務(wù)定義與需求分析明確火星車在任務(wù)中的角色和使命；包括對(duì)探測(cè)對(duì)象的明確定義，例如火星表面的地質(zhì)特征、巖石樣本或者周圍環(huán)境等；同時(shí)，還需要清楚地定義探測(cè)任務(wù)的目標(biāo)和范圍，例如是否要尋找生命跡象、研究火星氣候變化等；還需要明確探測(cè)的時(shí)間范圍，即火星車在多長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)需要完成任務(wù)。通過(guò)明確這些因素，可以確保對(duì)火星車任務(wù)的整體理解一致，并為后續(xù)的需求分析提供基礎(chǔ)?；居美x

使命任務(wù)定義使命任務(wù)定義與需求分析在需求分析方面，需要對(duì)火星車的各項(xiàng)功能進(jìn)行詳細(xì)的分析和規(guī)劃；導(dǎo)航功能，火星車需要能夠準(zhǔn)確地定位自身位置，并規(guī)劃和執(zhí)行路徑；需要考慮避障功能，即火星車能夠識(shí)別并避免遇到的障礙物，避免碰撞和損壞；還需要具備采樣功能；通信功能也是火星車不可或缺的一項(xiàng)需求；還需要考慮樣本存儲(chǔ)和保護(hù)機(jī)制，以確保采集到的樣本在返回地球之前保持完整和可靠。需求分析使命任務(wù)定義與需求分析性能需求包括以下內(nèi)容導(dǎo)航精度需求定位誤差要求在10m之內(nèi)；行走速度需求速度要求在3m/s左右，誤差不超過(guò)0.5m/s；機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度需求機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度要求不低于60度；圖像臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度需求圖像臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度要求不低于60度；需求分析功能需求包括以下內(nèi)容導(dǎo)航功能需求火星車需要能夠根據(jù)指定的目標(biāo)位置進(jìn)行導(dǎo)航和移動(dòng)；攝像功能需求火星車需要具備攝像頭，并能拍攝和傳輸圖像；采樣功能需求火星車需要具備機(jī)械手臂，能夠執(zhí)行物理操作，如采樣、挖土等；遠(yuǎn)程控制功能需求地面控制中心需要能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制火星車的行動(dòng)；維護(hù)和保養(yǎng)功能需求火星車需要具備易于維護(hù)和保養(yǎng)的設(shè)計(jì)；系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證在系統(tǒng)架構(gòu)定義階段，首先需要明確火星車系統(tǒng)的目標(biāo)和任務(wù)；基于8.2節(jié)開(kāi)展的使命任務(wù)定義與需求分析，對(duì)黑盒用例繼續(xù)進(jìn)行細(xì)化，即利用SysML中的活動(dòng)圖、序列圖和狀態(tài)機(jī)圖對(duì)黑盒用例進(jìn)行細(xì)化和分解，形成從黑盒到白盒的擴(kuò)展；完成使命任務(wù)定義和需求分析之后，通過(guò)對(duì)分系統(tǒng)層級(jí)用例進(jìn)行細(xì)化，得到更具體的活動(dòng)圖。功能分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證通過(guò)序列圖，可以更好地理解用例所描述的業(yè)務(wù)流程中各個(gè)對(duì)象之間的交互關(guān)系。功能分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證狀態(tài)機(jī)圖示例，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，包括故障狀態(tài)、正常狀態(tài)、未連接狀態(tài)、已連接狀態(tài)、導(dǎo)航裝備狀態(tài)及執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)等。功能分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證系統(tǒng)組成定義基于明確的目標(biāo)和任務(wù)，可以開(kāi)始建立火星車系統(tǒng)的架構(gòu)模型。這一模型應(yīng)該以系統(tǒng)為中心，描述火星車系統(tǒng)各組成部分及其相互關(guān)系和交互方式。系統(tǒng)架構(gòu)定義系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證在系統(tǒng)架構(gòu)定義中，還需要考慮不同分系統(tǒng)、模塊之間的接口和交互；對(duì)功能邏輯和數(shù)據(jù)流進(jìn)行細(xì)化和分析，并對(duì)每個(gè)活動(dòng)的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行功能邏輯接口設(shè)計(jì)，從而得到帶有功能邏輯接口的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程活動(dòng)圖。功能分配與接口交互定義系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證可以將詳細(xì)的任務(wù)過(guò)程模型進(jìn)行細(xì)化，將任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中的各類功能分配到不同的分系統(tǒng)或者模塊中，在帶有功能邏輯接口的活動(dòng)圖基礎(chǔ)上結(jié)合功能-架構(gòu)組成，完成功能分配與泳道圖的生成；與上述過(guò)程相同，可以將其他功能模塊轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的白盒行為模型。功能分配與接口交互定義系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證根據(jù)上述任務(wù)執(zhí)行過(guò)程的白盒分析結(jié)果，能夠識(shí)別出不同分系統(tǒng)、功能模塊間的邏輯接口關(guān)系，從而支持物理接口的定義與開(kāi)發(fā)。此時(shí)，系統(tǒng)架構(gòu)模型中所需的接口具有較強(qiáng)的抽象性，一般可以按專業(yè)直接定義；將上述接口定義應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)模型中，可以設(shè)計(jì)完成如圖的火星車的內(nèi)部模塊圖。功能分配與接口交互定義系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證分系統(tǒng)需求分配與分析根據(jù)總體任務(wù)要求可將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)相關(guān)的功能需求分配給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)前面已將控制系統(tǒng)分解為導(dǎo)航制導(dǎo)、傳感器、運(yùn)動(dòng)控制等主要的功能模塊，在上述控制分系統(tǒng)整體需求的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步根據(jù)火星車移動(dòng)探測(cè)過(guò)程中的活動(dòng)開(kāi)展功能分析，識(shí)別出相對(duì)應(yīng)的功能需求，并將路徑規(guī)劃、位置探測(cè)、軌跡控制、避障控制、動(dòng)力控制等子需求進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為各功能模塊的需。求分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證功能模塊專項(xiàng)設(shè)計(jì)可以對(duì)功能模塊的需求進(jìn)行定義，然后可以定義控制系統(tǒng)需求與各功能模塊需求之間的傳遞關(guān)系，定義各功能模塊需求，完成各功能模塊需求參數(shù)的具體定義后，將會(huì)形成各功能模塊的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇可行的單機(jī)模塊類型，然后根據(jù)內(nèi)置的技術(shù)指標(biāo)，選擇所需的參數(shù)。分系統(tǒng)評(píng)估分析完成各個(gè)功能模塊的選型、參數(shù)設(shè)計(jì)后，可以形成系統(tǒng)整體的技術(shù)方案。系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證可行性論證旨在評(píng)估和驗(yàn)證系統(tǒng)架構(gòu)模型的可行性；通過(guò)使用模型仿真、系統(tǒng)分析工具和現(xiàn)有的技術(shù)參考，可以對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行性能優(yōu)化和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；本案例對(duì)火星車系統(tǒng)的幾個(gè)簡(jiǎn)單性能指標(biāo)做了約束，如圖所示?？尚行哉撟C系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證可行性論證運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估在火星車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，遵循SysML標(biāo)準(zhǔn)并構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型，而在驗(yàn)證環(huán)節(jié)，普遍采用Modelica語(yǔ)言構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)設(shè)計(jì)與仿真模型的轉(zhuǎn)換技術(shù)，支持在SysML模型與Modelica模型之間建立完善的映射關(guān)系，設(shè)計(jì)與仿真模型的轉(zhuǎn)換，能夠支撐以下場(chǎng)景在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期，完成系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)信息的自動(dòng)化傳遞；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用SysML語(yǔ)言進(jìn)行離散元素建模，采用Modelica語(yǔ)言進(jìn)行連續(xù)動(dòng)態(tài)元素建模，兩類模型可進(jìn)行協(xié)同仿真；在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中、后期，基于自動(dòng)轉(zhuǎn)換生成的仿真模型框架，集成不同種類的分系統(tǒng)仿真模型，支撐系統(tǒng)總體對(duì)詳細(xì)方案進(jìn)行驗(yàn)證；通過(guò)復(fù)雜系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、仿真模型的集成，實(shí)現(xiàn)以Modelica模型的仿真結(jié)果對(duì)采用SysML語(yǔ)言建立的需求模型進(jìn)行自動(dòng)化驗(yàn)證，保證系統(tǒng)仿真驗(yàn)證結(jié)果的全面性、可信性和可靠性。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估采用XMI文件和模型庫(kù)一一映射的機(jī)制，提供交互方式選擇模型框架封裝的模型原理；配置其映射關(guān)系，包括類型映射、接口映射、關(guān)系映射等；按照Modelica語(yǔ)法規(guī)則自動(dòng)生成可仿真驗(yàn)證的模型庫(kù)。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估SysML-Modelica模型映射協(xié)議規(guī)范了XMI文件描述的SysML模型元素與Modelica模型元素的映射規(guī)則，包括命名規(guī)范約束、類型映射規(guī)則、連接映射規(guī)則等。SysML模型與Modelica模型元素的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：Package對(duì)象→package對(duì)象；Class/TopLevelClass（IBD）對(duì)象→model對(duì)象；Port對(duì)象→interface對(duì)象；Property對(duì)象→parameter對(duì)象；Connector對(duì)象→connect對(duì)象。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估實(shí)際操作中可以使用Sysbuilder提供的設(shè)計(jì)與仿真模型轉(zhuǎn)換工具，如圖所示為火星車內(nèi)部模塊圖所轉(zhuǎn)換而來(lái)的仿真模型框架。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估仿真模型集成驗(yàn)證仿真模型生成各分系統(tǒng)模型的建立方法和流程基本一致。仿真模型驗(yàn)證為了描述車身系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行場(chǎng)景，可以從機(jī)械專業(yè)的設(shè)計(jì)模型庫(kù)中選擇SysML語(yǔ)言的功能活動(dòng)模型，定義車身系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行場(chǎng)景，形成可用于仿真驗(yàn)證的活動(dòng)圖。指標(biāo)閉環(huán)驗(yàn)證在車身系統(tǒng)需求論證的過(guò)程中，首先會(huì)對(duì)車身系統(tǒng)的需求進(jìn)行收集，將指導(dǎo)車身系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需求分為兩類，一類為描述系統(tǒng)功能的功能需求，另一類為描述系統(tǒng)性能約束的性能需求。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估多方案權(quán)衡多方案生成打開(kāi)模型瀏覽器，在包“3.1運(yùn)行方案設(shè)計(jì)”中創(chuàng)建新實(shí)例，并進(jìn)行實(shí)例設(shè)置。實(shí)例類型選擇“火星車”；設(shè)置實(shí)例的相關(guān)參數(shù)，得到不同實(shí)例值下對(duì)應(yīng)的火星車實(shí)例，即得到多指標(biāo)不同方案下的多個(gè)火星車實(shí)例；在火星車內(nèi)部模塊圖中右擊，打開(kāi)“Modelica仿真框架屬性”對(duì)話框，單擊“通信接口1”對(duì)應(yīng)的類型下拉按鈕，從下拉列表中選擇相關(guān)的Modelica對(duì)象類型。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估多方案權(quán)衡多方案生成打開(kāi)“模型原理設(shè)置”對(duì)話框；選擇某個(gè)原理模型后，對(duì)話框右側(cè)將會(huì)顯示相關(guān)的接口和參數(shù)，供用戶判斷是否符合火星車系統(tǒng)相關(guān)原理；選擇需要的原理模型后，單擊“確定”按鈕，返回“Modelica仿真框架屬性”對(duì)話框，繼續(xù)選擇或定義其他組成屬性、值屬性、接口屬性，后臺(tái)根據(jù)這些信息，即可解析、匹配相應(yīng)的Modelica模型。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估多方案權(quán)衡多方案生成根據(jù)前面介紹的設(shè)計(jì)與仿真模型轉(zhuǎn)換方法，生成火星車系統(tǒng)的Modelica模型；值得注意的是，在生成相關(guān)Modelica模型之后，相關(guān)文本代碼也會(huì)自動(dòng)生成，供用戶進(jìn)行檢查、修改、復(fù)用等。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估多方案權(quán)衡多方案生成在創(chuàng)建火星車相關(guān)實(shí)例和填充Modelica原理后，通過(guò)為組成屬性選擇實(shí)例，可以對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改；可將通用的無(wú)參數(shù)輪胎模型映射為有具體參數(shù)設(shè)計(jì)的輪胎實(shí)例，然后可對(duì)其參數(shù)進(jìn)行調(diào)整、設(shè)定；選擇不同的實(shí)例，會(huì)自動(dòng)修改相關(guān)的多個(gè)指標(biāo)，例如，改為選擇“輪胎實(shí)例2”，模型中將會(huì)自動(dòng)更新輪胎直徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估架構(gòu)方案對(duì)比創(chuàng)建多個(gè)架構(gòu)方案打開(kāi)模型瀏覽器，在包“3.2綜合評(píng)估”中創(chuàng)建A方案、B方案、C方案、D方案、E方案、F方案和G方案，并設(shè)置它們的屬性。選擇要對(duì)比的架構(gòu)方案單擊“架構(gòu)權(quán)衡”按鈕，彈出“架構(gòu)權(quán)衡”對(duì)話框。這里選擇“組成屬性1”下的“時(shí)間窗口”。導(dǎo)入腳本可以導(dǎo)入Python腳本。單擊“導(dǎo)入”按鈕，對(duì)應(yīng)的Python腳本將在“架構(gòu)腳本編輯”欄中打開(kāi)。運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估架構(gòu)方案對(duì)比架構(gòu)方案對(duì)比單擊“計(jì)算”按鈕，在彈出的窗口中將會(huì)顯示架構(gòu)方案的對(duì)比結(jié)果。本章小結(jié)本章基于“三階段六過(guò)程”MBSE方案設(shè)計(jì)論證方法，專注于火星車系統(tǒng)的使命任務(wù)定義與需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證以及運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估的全流程案例應(yīng)用，旨在為讀者提供一整套的MBSE實(shí)踐案例。在進(jìn)行使命任務(wù)定義與需求分析時(shí)，采用系統(tǒng)工程的方法論至關(guān)重要。系統(tǒng)工程注重整體系統(tǒng)觀，從系統(tǒng)角度全面思考問(wèn)題，有助于更全面、系統(tǒng)地理解和分析火星車系統(tǒng)的需求。在系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證階段，要明確火星車系統(tǒng)的