以飞机为例的MBSE系统架构入门系列(1)

在敏捷4.0项目中开发了一个将典型系统工程方法和典型MDO方法相结合的新系统开发过程，并如图1所示。

上图描述了设计和优化航空系统(即系统合成（也可以理解为系统综合）和系统设计步骤)，从上游系统开发活动开始。第一步旨在定义系统所需的能力和目标。识别系统涉众，并收集他们对系统的预期需求。然后，利益相关方的需求通过运维场景进行评估，并在系统规范阶段转化为系统需求。

在敏捷4.0开发方法的前两步的主要元素(如利益相关者、需求和要求)的定义和建模过程中，为设计者提供支持的指南在[13]中提供。相反，本文更详细地介绍了处理系统架构步骤的开发活动。这些活动旨在定义所有可能的组件，这些组件应该是系统架构的一部分，以便提供功能需求所要求的所有系统功能。在这一步中，可以识别多个系统架构，它们代表了传统的也是创新的解决方案。因此，一个架构设计空间就产生了，不同的系统架构从这个空间衍生出来，并沿着敏捷4.0系统工程产品开发过程向前推进。

飞机系统简介

飞机是系统，因为它可以飞行和运输有效载荷（系统功能），这得益于其所有实体连接在一起，如发动机、机身、机翼和机载系统。因此，架构图描述了系统的不同方面。例如，架构可以表示组成系统的所有部分、它的生命周期、外部用户如何操作它以及许多其他信息。系统架构是一种特定的体系结构，它只表示作为系统一部分的所有组件（系统体系结构中的实体）以及它们是如何连接在一起的。体系结构框架为多个系统体系结构的标准表示提供了指导方针。文献中有几种架构框架可用，例如Zachman的框架、DoDAF、MODAF、NAF和TOGAF。

飞机电气系统的组成部分有:

• 直流发电机

• 电池

• 开关

• 断路器或熔断器

• 继电器

• 电压调节器

• 安培计或loadmeter

• 母线

• 电线

直流电气系统的用途包括但不限于:

• 起动电动机

• 燃料泵

• 导航、通信和监控工具(无线电、GPS、警示灯等)

• 灯(位置、防碰撞、着陆、滑行、客舱、仪表、转弯指示器)

• 机翼

• 起落架

• 飞行员加热

图2  飞机外形特征和功能的描述图

上图展示了一种传统的固定翼飞机，这是一种基本飞行器。飞机的关键物理部件或子系统是机身、机翼、水平尾翼、垂直尾翼和推进系统。

机身是为飞机乘客、货物和飞机子系统提供工作内空间。机身在完成特定的飞行任务方面很重要，但从飞行性能的角度来看，它不是特别重要。

两个机翼对飞行至关重要，因为它们的主要目的是产生升力。图示的飞机以及以后所考虑的所有飞机，都是固定翼飞机，因为机翼是固定在机身上的。这与直升机或其他旋转翼飞行器形成对比，它们使用旋转叶片产生升力。

其他重要的飞行子系统，如上图所示，是水平尾翼、垂直尾翼和发动机。水平和垂直尾翼严格地附着在机身上。水平尾翼提供纵向稳定性和控制能力，而垂直尾翼提供方向稳定性和控制能力。发动机是至关重要的飞行子系统，因为它们产生的推力作用在飞机上。请注意，滑翔机没有推进系统。

一些飞机，如小型爱好者无线电控制飞机或无人驾驶飞行器(uav)，可以通过远程操作员控制。在这种情况下，远程操作员实际上就是飞行员，因为操作员通过调整升降舵、副翼、方向舵和油门来驾驶飞机。

在有限的环境下，开发完全或几乎完全自主飞行的飞机是有可能的。这些自动飞行飞行器需要开发先进的计算机系统，这些系统通常基于先进的控制和人工智能理论，可以在没有人类直接干预的情况下自动做出飞行决策。这是一项发展迅速的飞行技术基本飞行原理构成了许多这些新发展的基础。

为什么MBSE在航空航天更容易受欢迎

传统上，设计人员遵循体系结构框架推荐的指导方针来编制涉及系统不同方面的文档。文本文档或表格收集系统需求、规范、技术描述，但它们也跟踪所做的设计决策，显示系统从最初概念到实现的演变。然而，这种基于文件的方法具有局限性和缺点，包括可追溯性差、模棱两可、误解、缺乏明确性等。因此，基于模型的新方法正在行业和组织间传播，因为它们在简化设计活动、提高设计质量、更好的系统规范和改进设计团队内的沟通方面具有潜在优势。实际上，可以构建和使用模型来代替文档，以清楚地表示体系结构。

因此，在过去十年中，所有这些动机使MBSE受到了极大的欢迎，其中，系统工程产品开发过程的所有活动（如定义客户需求、识别系统功能、收集需求、生成替代系统架构（architecture）以及验证和确认任务）均由模型而非文档支持。由于对更高性能、更低环境影响和功能增强的新需求导致系统复杂性呈指数级增长，预计MBSE在未来几十年内将在系统工程领域发挥越来越大的作用。因此，航空航天和其他领域的几家公司已经开始向MBSE过渡，以开发复杂系统。

文章来源MBSE知识库与应用案例