MBSE方法论专题 | OOSEM-Modelook综合设计候选架构

一起学MBSE 2023年6月15日浏览：1627

建模语言、建模方法和建模工具作为MBSE的三大支柱，是MBSE能否有效落地的重要影响因素，尤其方法论尤甚，它是绝大部分人开始接触MBSE的切入点。本文为杉石团队在INCOSE提出的方法论OOSEM的基础上，结合多年来在国内MBSE领域实施经验的基础上，梳理总结出的由Modelook工具支撑的MBSE建模方法论。

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流程说明

1. 定义及流程

综合设计候选架构的目的是在系统功能需求和逻辑架构的牵引下，非功能性需求约束下，明确定义物理架构方案。物理架构由为特定子系统设计选定的有形设备组成。物理架构设计还应考虑除功能性之外约束，例如由安全性牵引得到的冗余备份设计。

综合设计候选架构流程如下图所示：

系统功能需求和逻辑架构的牵引下，将系统分解为多个物理子系统，一般物理子系统可以理解为逻辑架构中的逻辑元素的初步物理划分，类似于用户界面对应由显示器和键盘组成的显控子系统。定义物理子系统之间的交联关系，可以为子系统定义端口，端口间的连接关系；
子系统设计，将子系统分解为物理部件，物理部件可以是设备，也可以直接分解到软硬件等。定义物理部件之间的交联关系，包含物理部件的端口及端口间的连接关系；
当存在多个物理架构时，需要进行架构权衡，对比不同的系统总体方案，评估系统可靠度、技术成熟度、系统复杂程度、成本、研制周期、系统重量等因素，对不同方案进行权衡；
定义接口，包含子系统或者设备间传递的信号、能量、物质等信息；
定义物理部件的功能，将系统功能进一步细化定义为各个部件如何执行支撑整个系统功能；
定义各物理部件的需求，将分析之后的个物理部件的功能及指标作为需求，并维护和系统需求的追溯关系。

图 1 综合设计候选架构

2. 责任角色

在由多学科背景组成的系统工程团队中，物理架构模型一般由总体部门的系统工程师（或者称为系统架构师）负责，子系统工程师参与子系统的设计。

3. 下一阶段

在完成物理架构设计之后，可以转入导出模型到下一级的系统设计或者进入详细设计阶段。

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建模方法

借助系统原理框图可以列出组件和接口，作为系统物理模型的基础，用于物理解决方法（物理结构）的高层次开发结果的交流。

图 2 系统原理框图示意

在系统架构的早期，设计团队就必须评估每个需求是否会对系统架构产生重要影响。这些需求被称为驱动架构设计的需求，驱动架构设计的需求通常占全部需求的5%至15%。驱动架构设计的需求应该被基线化管理，以确保架构设计审查成功进行，认真评审架构以确保满足驱动架构设计的需求基线集要求。

架构层级图提供系统的一个垂直视角，识别物理组件和各自组件组成系统，当后面的设计不能覆盖底层组件的时候需要更新架构层级图。

图 3 架构层级图示意

定义系统内外部接口始于架构互联图中定义的信息以及详细的接口定义，比如液体流速、压力、温度。接口定义必须包含除了功能需求和用户法规需求外的这些接口和环境因素的容忍性考虑。比如，液体互连除了要定义流速、温度和压力外，还要定义流脉冲、极限条件下的包线值和波动值。

图 4 接口定义示意

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案例实践

1. 将系统分解为物理子系统

通过块定义图来定义系统的物理子系统。

图 5 物理子系统分解示意

2. 创建子系统的交联关系

通过内部块图来创建子系统间的交联。

注意：物理架构图和逻辑架构图都是对系统的内部描述，逻辑元素和物理子系统间存在分配关系，所以在逻辑架构阶段捕获的系统接口可以在物理架构中继续使用。

图 6 物理架构模型示意

3. 通过包来组织子系统模型

创建包来组织各子系统的模型。

图 7 子系统包示意

4. 继续分解子系统到设备

通过新建元素将子系统分解到设备。

图 8 子系统组成示意

5. 创建物理部件间的接口

在逻辑架构建模阶段已经对系统的逻辑部件间的接口进行了建模，在物理架构阶段，随着逻辑部件分解为物理部件，需要进一步补充物理部件间的接口信息，包含物理部件间传递的信息、能量、物质等。此处操作与逻辑架构阶段的操作完全一致。

6. 创建组成子系统的设备间的交联关系

通过内部块图来创建子系统内部各设备间的交联。

图 9 航电子系统物理架构示意

7. 多架构权衡

一般根据系统需求及设计师经验，会存在多个满足系统需求的物理架构，例如不同的配电器、电池数量，不同的配电方式等。此时，需要进行架构权衡来确选择一个相对最优的架构。

对比不同的系统方案，综合评估系统可靠度、技术成熟度、系统复杂程度、成本、研制周期、系统重量等因素，对不同方案进行权衡。架构权衡一般依据专家经验对不同的方案进行评估，也可以采用打分的方式，设定参与对比的项目及权重，对不同的方案进行打分，最终通过分数确定最优架构。

8. 定义物理部件的功能

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创建物理部件和系统功能的分配

在逻辑架构与系统功能的分配的基础上，将每个系统功能进一步细化定义为各个部件如何执行支撑整个系统功能。此处操作与逻辑架构阶段的操作一致，区别就是将活动分区细化到物理设备。以提供电气动力活动为例，进一步展示航电子系统、动力子系统和动力线束等相互配合用于向各子系统提供电力的相应高层级动作。输入包含太阳能阵列的太阳光线辐射，航天器分离前的由运载火箭提供的电气动力，如下图所示。