行业案例 | MBSE解决方案（四）：基于SysML的武器装备系统建模与验证
概述
随着信息化和智能化系统的发展，武器装备的复杂度呈指数级提升，导致需求分析和设计错误增加、研制进度拖延、研制经费上涨。目前系统级设计还是以文档，画图为主，传统的系统工程依赖大量文档作为项目信息交流基础，文字描述存在二义性，系统工程师需要花费大量时间维护文档信息的同步，并同时会引入需求分析和设计的错误。这些错误可能会到系统交付阶段才被发现，大大增加了系统研制的风险。
为应对上述问题，系统工程国际委员会（INCOSE）正式提出“基于模型的系统工程”（model-based systems engineering，MBSE）概念。MBSE使用建模方法支持系统的需求定义、设计定义、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及整个产品生命周期阶段。
通过本案例应用，将采用目前最常用的数字化设计语言SysML对防空导弹系统进行用户需求分析、功能分解和架构设计，构建一套包含需求、结构、行为和参数的导弹系统模型，并通过模型仿真手段对设计方案的功能逻辑完备性和参数指标进行初步验证，可有效降低系统前期的研制风险，支撑后续的详细设计。
图 1 V流程
应用的方法和工具
1
系统建模语言SysML
与传统的基于文档的系统工程不同，MBSE将系统的表达由“以文档报告为中心”转变为“以模型为中心”，MBSE要求通过一系列活动产出一份集成、清晰且一致的系统模型，基于这个整合的模型，给生命周期不同阶段、不同领域、不同学科的人提供唯一真实的数据模型，因此能够对系统进行准确描述的模型语言成为MBSE的核心基础。
系统建模语言（SysML）是一种图形化建模语言，可以支持系统的规范、分析、设计、验证和确认，并且不依赖方法学和工具，是基于模型的系统工程的关键使能方法。在系统设计中通常使用SysML来创建系统结构、行为、需求、和约束的模型。
图 2 SysML语言
在该案例中，完整构建了导弹系统的SysML模型。模型应用说明如下：
使用包图定义导弹系统的模型组织结构，包含需求包、任务场景包、需求分析包、结构组成包、指标约束包；
基于用户需求，开发导弹系统的运行概念，使用用例图定义导弹系统的主要任务、外部系统和利益攸关者；
基于每一个任务，使用活动图分析该任务的详细的运行逻辑，使用顺序图识别系统与外部系统的接口；
基于细化的模型，使用需求图定义导弹系统细化后的需求模型，并建立与用户需求的派生关系；
基于细化后的系统需求，开展导弹系统的架构设计活动，使用块定义图定义系统的分解结构及每个子系统的参数指标，导弹系统可由计算与控制子系统、动力子系统等组成；
使用内部块图描述子系统之间的内部接口，及子系统与外部系统之间的接口数据；
开展系统需求向子系统的分配活动，使用带泳道的活动图将系统的需求向子系统分解和分配；
使用状态图定义各个子系统的运行状态，及在外部触发下状态的转化逻辑；
通过子系统状态图的联合仿真，模拟子系统之间相互配合过程，来实现导弹系统的整个任务；
通过参数图创建所有子系统的性能指标之间的数学函数关系，通过参数图仿真，可计算出导弹系统的性能指标是否满足要求。
2
建模方法论
建模方法是MBSE里重要的一环，也是大部分人员开始接触MBSE的切入点，通过建模方法论能够快速的理解整个系统设计和建模过程。以SysML为核心的建模方法论应用较多的有INCOSE提出的OOSEM，IBM基于Rhapsody工具提出的harmony SE，Dassault基于Magicdraw工具提出的MagicGrid等。
在实际应用中，为保证MBSE能力能应用并支撑型号研制，实现系统工程与MBSE能力真正落地，需要面向实际系统的研制流程，在借鉴国际上成熟方法论的基础上，可根据系统研制过程定制建模方法论。这样才能将MBSE方法论转化形成企业的系统工程和MBSE能力，提高应用价值。
如下图所示，描述了一个典型的MBSE建模流程，可按照该建模流程开展系统工程活动。建模流程内容如下：
计划建模活动首先被开展，它包括定义建模工作的目标和范围，对方法论的剪裁，定义模型交付的节点，选定建模工具，定义团队角色和分工，定义培训方法等内容；
组织模型包括定义了模型如何被组织，设置模型约定规则；
分析任务和利益攸关者需要包括识别利益攸关者，定义任务目标和需求，定义任务背景和所感兴趣系统（SOI）交互的任务元素；
分析系统需求明确了作为黑盒的系统，及其功能、接口、性能、物理和其他质量特征；
综合候选系统架构定义了各种可选的系统架构元素，定义系统元素如何交互才能满足系统需求规范；
执行分析贯穿整个研制流程，用于对系统设计结果进行评估，从而选出更适合的解决方案；
管理需求追溯性也贯穿整个研制流程，用于确保利益攸关者需要被覆盖，同时也用于管理系统需求和设计的变更；
在系统早期设计阶段就启动集成和验证活动，以这种较低成本方法来确保需求可验证且系统能满足需求。仿真和分析模型可用来执行早期的设计集成和验证，而实际的硬件和软件集成和测试是在随后的实现阶段来进行。
图 3 典型的 MBSE建模流程
3
Modelook.SM
系统需求分析和架构设计工具
建模工具是支撑MBSE的模型和方法论能够在工程中应用的基础。国外商业化工具厂商在国外的实践中分别推出了各自的商业化MBSE建模工具，比较有代表性的有IBM公司的Rhapsody、No Magic公司的Magicdraw等。杉石科技公司作为国内的MBSE工业软件解决方案厂商，具有自主可控的系统需求分析和架构设计工具Modelook.SM，完全对标国际上的主流工具。
该工具定位于为复杂工程系统的系统级研发提供基于模型的建模仿真解决方案，用户可以在系统设计阶段基于SysML模型进行需求分析、架构设计、仿真分析，改变原有的基于文档的设计范式，有效的提高系统研发效率。软件聚焦复杂工程系统研发早期，以系统模型为基础，以建模和仿真为核心手段，支撑研发过程中的需求分析、架构设计、设计定义、系统分析等活动的展开，提升系统设计质量，增加系统研发效率。
图 4 Modelook.SM功能架构
主要功能如下：
（1）系统设计建模
对SysML最新标准中定义的元模型及9种图进行了完整的支持。可基于SysML来创建系统的结构、行为、需求、和约束模型。除此之外，也支持了一些领域定制图，如内容图、UI原型图、实例表、关系图等。
（2）仿真分析
可实现基于模型的仿真验证，借助活动图和状态图可以实现系统逻辑的仿真验证。借助内置解算器或MATLAB等外部解算器对创建的参数图进行解算可以实现系统的性能需求验证及架构选优。同时支持SysML模型与其它专业模型的联合仿真，例如行为模型与STK模型的联合仿真，参数模型与modelica等数学模型的联合仿真等。
（3）异构模型关联管理
可集成专业模型数据，实现以系统模型为核心，衔接其它多维度模型的MDE（模型驱动工程）研发环境，确保复杂工程系统从系统级模型到各专业模型的模型一致性。
（4）模型复用
支持模型库创建及复用功能，能够支持用户将系统设计阶段需要的系统级模型、专业算法、工业设计类APP等模型封装为模型库中的内容进行积累和复用。
（5）团队协同
通过协同服务器为用户提供基于统一模型数据源的团队协同，可以支持用户进行团队协同建模、基于WEB的发布评审，文档表格生成等。
案例展示
1
案例建模流程总览
导弹案例的建模和验证过程如下图所示，包含如下几个活动：用户需求导入、任务场景分析、总体需求分析与定义、总体方案设计、子系统/设备方案设计、仿真验证。
在构建面向SysML的导弹系统模型时，会与需求管理工具ORM进行需求数据交互，保证需求传递的一致性。并与专业学科工具（如Matlab，IDE）进行参数模型传递，并实现系统模型与专业学科模型的联合仿真。
图 5 导弹案例建模流程
2
导入用户需求
导弹系统的需求存在于需求管理工具中，首先通过导入需求管理工具中的研制任务书，在Modelook中建立导弹系统的需求模型，并以需求图的形式呈现出需求的层级结构、需求的ID和内容。
图 6 需求图
3
分析任务场景
使用用例图分析导弹系统的任务场景。用例反映利益攸关者所重视的内容，并解决他们关切的问题。其中，导弹系统的主要任务场景包含发射、飞行和攻击。并与发射车、地面制导站、卫星、指挥系统、打击目标之间存在接口。
图 7 用例图
4
总体需求分析
然后针对每个任务场景，可通过3种行为图（活动图、顺序图、状态图）对导弹需求做进一步的细化分析。
活动图用于表示系统所需要的行为，以及输入通过一系列动作转换为输出的过程。在该案例中，活动图主要用于分析导弹在该任务场景下的详细功能逻辑，识别系统功能需求。
图 8 活动图
顺序图用于表示系统内部与外部环境如何通过操作调用和异步信号进行交互。在该案例中，顺序图主要用于分析导弹在该任务场景下与其他外部系统的交互和顺序逻辑，识别系统接口需求。
图 9 顺序图
状态图用于表示系统的一系列状态，以及响应事件时状态之间的可能转换。在该案例中，状态图主要用于分析导弹在该任务场景下的状态运行行为，可模拟在外部系统提供的激励下，导弹的运行模式。
图 10 状态图
5
系统需求定义
通过以上的需求分析建模，可进一步细化系统需求。具体开展如下建模工作：
使用需求图，定义细化的导弹系统需求模型；
使用派生矩阵，建立系统需求与用户需求的追溯关系；
通过导出功能，将细化的系统需求模型导出到需求管理工具ORM中，进行需求版本管理和需求文档流程审批。
6
总体方案设计
导弹系统需求可被具体化为逻辑层模块和物理层模块。将导弹系统分解为子系统，使用块定义图定义架构模型。
图 11 块定义图
使用带泳道的活动图将系统功能分配到各子系统。
图 12 白盒活动图
使用顺序图将系统接口分配到子系统，并进一步识别子系统之间的接口。
图 13 白盒顺序图
使用状态图分析子系统的状态运行行为，可模拟在外部系统或其它子系统提供的激励下，该子系统的运行模式。
图 14 子系统状态图
参数图用于表示约束与系统属性的绑定，支持工程分析。在该案例中，使用参数图定义设备元素的性能指标之间的数学模型，用于后续的系统性能指标验证。通过参数建模，定义每一个结构中所包含的输入变量、约束表达式和输出变量之间的数学关系。
图 15 参数图
7
设计验证
（1）功能逻辑验证
状态图作为系统整体运行逻辑的描述，可以有效的响应外部触发事件对系统状态的影响，并传递给各分析模型，各分析模型将执行状态及结果再反馈给状态图进行同步显示。在该案例中，通过对导弹系统的发射阶段的状态图进行仿真，实现了系统运行逻辑及场景的可视化，使客户对所设想产品进行直观的认识。
图 16 状态图仿真
（2）指标验证
参数图提供了将系统的参数约束模型与系统结构、行为模型整合的方法，借助参数图模型可以和专业分析模型打通数据接口，从而实现系统的非功能需求验证、权衡对比分析、自动设计优化等功能。在该案例中，通过将SysML中的参数模型与工程分析模型进行数据集成，对参数图进行仿真，并在后台调用多学科工具（IDE、Matlab等）进行参数计算，实时显示计算结果，更好的实现对导弹系统中的舵轴强度指标进行验证。
图 17 参数图仿真
总结和收益
依据基于模型的系统工程方法论，建立基于SysML语言的系统设计模型是实现导弹系统正向设计的有效手段。为了对导弹系统架构模型进行验证，从系统需求出发，通过问题域、方案域的逐层分析，应用一套详细、规范、可实施的设计方法。通过对系统需求的验证，实现设计问题及缺陷的早期暴露，避免设计问题向下游传递，对保证系统的设计质量具有极高促进作用。
开展基于模型的系统建模与验证工作具有以下优势：
基于SysML系统模型，会消除复杂工程系统原有基于文档方式描述的二义性，较大的提升沟通效率；
基于SysML系统模型完成需求追溯/验证，可以有效提升设计质量，降低开发风险；
以系统模型为核心可以有效管理系统研发的复杂度。系统模型正好处在衔接各个维度工作的中心位置，可以有效建立和管理各个业务模型及数据的关系。
文章来源杉石科技
