基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實踐 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)星或月球探測器相比，其光照強度、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、過程復(fù)雜等特點，為了在設(shè)計、綜合測試等階段，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“三階段六過程”MBSE方案設(shè)計論證方法，針對火星車系統(tǒng)，開展使命任務(wù)定義與需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證及運行方案仿真與綜合評估全流程案例應(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；包括對探測對象的明確定義，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，還需要清楚地定義探測任務(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；還需要明確探測的時間范圍，即火星車在多長時間內(nèi)需要完成任務(wù)。通過明確這些因素，可以確保對火星車任務(wù)的整體理解一致，并為后續(xù)的需求分析提供基礎(chǔ)。基本用例定義

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，需要對火星車的各項功能進行詳細(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需求；還需要考慮樣本存儲和保護機制，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0.5m/s；機械臂轉(zhuǎn)動角度需求機械臂轉(zhuǎn)動角度要求不低于60度；圖像臺轉(zhuǎn)動角度需求圖像臺轉(zhuǎn)動角度要求不低于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)位置進行導(dǎo)航和移動；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)測和控制火星車的行動；維護和保養(yǎng)功能需求火星車需要具備易于維護和保養(yǎng)的設(shè)計；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)開展的使命任務(wù)定義與需求分析，對黑盒用例繼續(xù)進行細(xì)化，即利用SysML中的活動圖、序列圖和狀態(tài)機圖對黑盒用例進行細(xì)化和分解，形成從黑盒到白盒的擴展；完成使命任務(wù)定義和需求分析之后，通過對分系統(tǒng)層級用例進行細(xì)化，得到更具體的活動圖。功能分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證通過序列圖，可以更好地理解用例所描述的業(yè)務(wù)流程中各個對象之間的交互關(guān)系。功能分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證狀態(tài)機圖示例，通過狀態(tài)機圖，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；對功能邏輯和數(shù)據(jù)流進行細(xì)化和分析，并對每個活動的輸入、輸出數(shù)據(jù)進行功能邏輯接口設(shè)計，從而得到帶有功能邏輯接口的任務(wù)執(zhí)行過程活動圖。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)過程模型進行細(xì)化，將任務(wù)執(zhí)行過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)行過程的白盒分析結(jié)果，能夠識別出不同分系統(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發(fā)。此時，系統(tǒng)架構(gòu)模型中所需的接口具有較強的抽象性，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)運動相關(guān)的功能需求分配給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)架構(gòu)設(shè)計前面已將控制系統(tǒng)分解為導(dǎo)航制導(dǎo)、傳感器、運動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，可以進一步根據(jù)火星車移動探測過程中的活動開展功能分析，識別出相對應(yīng)的功能需求，并將路徑規(guī)劃、位置探測、軌跡控制、避障控制、動力控制等子需求進一步轉(zhuǎn)化為各功能模塊的需。求分系統(tǒng)方案設(shè)計系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證功能模塊專項設(shè)計可以對功能模塊的需求進行定義，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，將會形成各功能模塊的設(shè)計指標(biāo)，選擇可行的單機模塊類型，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)評估分析完成各個功能模塊的選型、參數(shù)設(shè)計后，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估和驗證系統(tǒng)架構(gòu)模型的可行性；通過使用模型仿真、系統(tǒng)分析工具和現(xiàn)有的技術(shù)參考，可以對系統(tǒng)架構(gòu)模型進行驗證，并進行性能優(yōu)化和風(fēng)險評估；本案例對火星車系統(tǒng)的幾個簡單性能指標(biāo)做了約束，如圖所示。可行性論證系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證可行性論證運行方案仿真與綜合評估在火星車系統(tǒng)設(shè)計中，遵循SysML標(biāo)準(zhǔn)并構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計模型，而在驗證環(huán)節(jié)，普遍采用Modelica語言構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型，通過設(shè)計與仿真模型的轉(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)計與仿真模型的轉(zhuǎn)換，能夠支撐以下場景在系統(tǒng)設(shè)計初期，完成系統(tǒng)總體設(shè)計信息的自動化傳遞；在系統(tǒng)設(shè)計時，采用SysML語言進行離散元素建模，采用Modelica語言進行連續(xù)動態(tài)元素建模，兩類模型可進行協(xié)同仿真；在系統(tǒng)設(shè)計的中、后期，基于自動轉(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)總體對詳細(xì)方案進行驗證；通過復(fù)雜系統(tǒng)需求、設(shè)計、仿真模型的集成，實現(xiàn)以Modelica模型的仿真結(jié)果對采用SysML語言建立的需求模型進行自動化驗證，保證系統(tǒng)仿真驗證結(jié)果的全面性、可信性和可靠性。運行方案仿真與綜合評估采用XMI文件和模型庫一一映射的機制，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語法規(guī)則自動生成可仿真驗證的模型庫。運行方案仿真與綜合評估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模型元素的對應(yīng)關(guān)系如下：Package對象→package對象；Class/TopLevelClass（IBD）對象→model對象；Port對象→interface對象；Property對象→parameter對象；Connector對象→connect對象。運行方案仿真與綜合評估實際操作中可以使用Sysbuilder提供的設(shè)計與仿真模型轉(zhuǎn)換工具，如圖所示為火星車內(nèi)部模塊圖所轉(zhuǎn)換而來的仿真模型框架。運行方案仿真與綜合評估仿真模型集成驗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。仿真模型驗證為了描述車身系統(tǒng)動態(tài)運行場景，可以從機械專業(yè)的設(shè)計模型庫中選擇SysML語言的功能活動模型，定義車身系統(tǒng)的動態(tài)運行場景，形成可用于仿真驗證的活動圖。指標(biāo)閉環(huán)驗證在車身系統(tǒng)需求論證的過程中，首先會對車身系統(tǒng)的需求進行收集，將指導(dǎo)車身系統(tǒng)設(shè)計的需求分為兩類，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。運行方案仿真與綜合評估多方案權(quán)衡多方案生成打開模型瀏覽器，在包“3.1運行方案設(shè)計”中創(chuàng)建新實例，并進行實例設(shè)置。實例類型選擇“火星車”；設(shè)置實例的相關(guān)參數(shù)，得到不同實例值下對應(yīng)的火星車實例，即得到多指標(biāo)不同方案下的多個火星車實例；在火星車內(nèi)部模塊圖中右擊，打開“Modelica仿真框架屬性”對話框，單擊“通信接口1”對應(yīng)的類型下拉按鈕，從下拉列表中選擇相關(guān)的Modelica對象類型。運行方案仿真與綜合評估多方案權(quán)衡多方案生成打開“模型原理設(shè)置”對話框；選擇某個原理模型后，對話框右側(cè)將會顯示相關(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，后臺根據(jù)這些信息，即可解析、匹配相應(yīng)的Modelica模型。運行方案仿真與綜合評估多方案權(quán)衡多方案生成根據(jù)前面介紹的設(shè)計與仿真模型轉(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)文本代碼也會自動生成，供用戶進行檢查、修改、復(fù)用等。運行方案仿真與綜合評估多方案權(quán)衡多方案生成在創(chuàng)建火星車相關(guān)實例和填充Modelica原理后，通過為組成屬性選擇實例，可以對相關(guān)參數(shù)進行修改；可將通用的無參數(shù)輪胎模型映射為有具體參數(shù)設(shè)計的輪胎實例，然后可對其參數(shù)進行調(diào)整、設(shè)定；選擇不同的實例，會自動修改相關(guān)的多個指標(biāo)，例如，改為選擇“輪胎實例2”，模型中將會自動更新輪胎直徑、轉(zhuǎn)速等參數(shù)。運行方案仿真與綜合評估架構(gòu)方案對比創(chuàng)建多個架構(gòu)方案打開模型瀏覽器，在包“3.2綜合評估”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”對話框。這里選擇“組成屬性1”下的“時間窗口”。導(dǎo)入腳本可以導(dǎo)入Python腳本。單擊“導(dǎo)入”按鈕，對應(yīng)的Python腳本將在“架構(gòu)腳本編輯”欄中打開。運行方案仿真與綜合評估架構(gòu)方案對比架構(gòu)方案對比單擊“計算”按鈕，在彈出的窗口中將會顯示架構(gòu)方案的對比結(jié)果。本章小結(jié)本章基于“三階段六過程”MBSE方案設(shè)計論證方法，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行方案仿真與綜合評估的全流程案例應(yīng)用，旨在為讀者提供一整套的MBSE實踐案例。在進行使命任務(wù)定義與需求分析時，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