CN110765568A - 基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，包括：根据需求建立功能架构和组件架构，识别功能架构的功能失效状态和组件架构的潜在故障风险和研制风险，利用XMI通用建模文件分别对功能失效状态、潜在故障风险和研制风险进行处理，分别得到系统功能故障模式与影响分析列表FMEA和组件故障模式与影响分析列表FMEA，根据两个列表更新SysML模型，并将更新后的SysML模型反馈给系统设计师，最后根据具体故障模式建立故障树，找出故障模式集合，识别出当前设计的薄弱环节，再次反馈给系统设计师，后期进行改进。该方法在系统初步设计阶段引入安全性分析，及时更新安全性需求，从而保证设计阶段系统安全性。

Description

基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法

技术领域

本发明涉及用于复杂系统早期设计与安全性分析的集成技术领域，特别涉及一种基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法。

背景技术

相关技术中披露了一种复杂系统设计阶段保证系统安全性的仿真分析方法，首先建立基于组件的故障传播路径建立故障树，然后通过整合多条故障传播路径，找出引发顶层危害性事件发生的基本故障事件集合。然而，由于该安全性分析方案与系统设计方案存在“两张皮”现象，系统设计与安全性分析采用两种完全隔离的建模环境，使得设计参数与安全性分析结果无法实时交互迭代，需要人工进行模型间的转换来确保安全性设计需求与系统设计的同步性。模型转换的不便利性导致安全性分析过程常常滞后于系统研制过程，不能确保安全性分析结果能在系统设计阶段反馈中不断更新。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，该方法减少人工进行模型之间的转换，缩短系统开发周期。

为达到上述目的，本发明提出了基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，包括：S1，根据预设系统的功能需求建立系统级功能架构；S2，识别所述系统级功能架构潜在的功能失效状态，获得所述系统级功能架构的第一故障参数；S3，利用SysML模型的XMI通用建模文件对所述第一故障参数集转换，生成初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA；S4，通过所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，反馈给系统设计师进行修正；S5，根据所述系统级功能架构建立系统组件架构；S6，识别所述系统组件架构的潜在故障风险以及研制风险，获得所述系统组件架构的第二故障参数集；S7，利用所述SysML模型的XMI通用建模文件对所述第二故障参数集转换，生成初步组件故障模式与影响分析列表FMEA；S8，通过所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA更新步骤S4中的SysML模型，反馈给所述系统设计师进一步修正；S9，利用Python程序解析所述SysML模型的XMI通用建模文件，得到故障传播路径；S10，将所述故障传输路径与步骤S2和步骤S6中的具体故障模式结合，生成故障树，定性分析所述故障树得到故障模式集合，并将所述故障模式集合反馈给所述系统设计师进行修正。

本发明实施例的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，通过SysML建模工具实现系统研制早期与安全性评估的统一规范建模，减少人工进行模型之间的转换，缩短系统开发周期。并有效增强安全性分析与系统开发过程的可追溯性，提高安全性评估的准确度，同时，利用SysML模型生成的XMI通用建模文本，抽取安全性分析参数，生成故障模式与影响分析列表，并在SysML中建立“逻辑门”模型库，自由定义多种逻辑门的表达形式，增强该故障树分析(FTA)工具在实践应用中的可行性。

另外，根据本发明上述实施例的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，还可以具有以下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，所述根据预设系统的功能需求建立系统级功能架构，进一步包括：根据所述预设系统的功能需求，建立需求视图模型；将所述需求视图模型转换为一级功能分配图；根据所述一级功能分配图和所述预设系统与外界关联系统的数据流端口建立所述系统级功能架构。

在本发明的一个实施例中，所述逐级识别所述系统级功能架构潜在的功能失效状态，获得所述系统级功能架构的第一故障参数，进一步包括：将所述系统级功能架构逐级分解，生成子功能层级树；对所述子功能层级树中一级功能建立含有参数交互的功能逻辑模型；逐级识别所述子功能层级树潜在的功能失效状态，并在所述功能逻辑模型中查找所述第一故障参数集。

在本发明的一个实施例中，所述通过所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，反馈给系统设计师进行修正，进一步包括：将所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA反馈给安全性分析专家；所述安全性分析专家对所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA补充修正，得到系统功能故障模式与影响分析列表FMEA；通过所述系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，并反馈给所述系统设计师。

在本发明的一个实施例中，所述根据所述系统级功能架构建立系统组件架构，进一步包括：根据所述系统级功能架构将功能分配至具体结构组件，以建立所述系统组件架构。

其中，通过块定义图和内部模块图建模方式定义所述系统组件架构的具体组成结构以及组件之间的交互。

在本发明的一个实施例中，所述通过所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA更新所述步骤S4中的SysML模型，反馈给所述系统设计师进一步修正，进一步包括：将所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA反馈给安全性分析专家；所述安全性分析专家对所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA补充修正，得到组件故障模式与影响分析列表FMEA；通过所述组件故障模式与影响分析列表FMEA更新所述步骤S4中的SysML模型，反馈给系统所述设计师进一步修正。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法流程图；

图2为根据本发明实施例的基于SysML模型的高速列车转向架系统设计与安全性分析集成方案框架图；

图3为高速列车转向架系统设计的需求定义阶段分析示意图；

图4为高速列车转向架系统设计的功能架构定义阶段示意图；

图5为高速列车转向架系统设计的组件架构示意图；

图6为高速列车转向架系统设计的故障树分析示意图；

图7为根据本发明实施例的基于SysML的故障分析元模型示意图；

图8为根据本发明实施例的SysML模型活动图(AD)的功能设计模式；

图9为根据本发明实施例的设计SysML模型的“逻辑门”模型库示意图；

图10为根据本发明实施例的基于图9设计的模型库和图8的功能设计模式，由python自动生成的故障传播路径。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法。

图1是本发明一个实施例的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法流程图。

如图1所示，该基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法包括以下步骤：

在步骤S1中，根据预设系统的功能需求建立系统级功能架构。

具体地，根据预设系统的功能需求，建立需求视图模型；将需求视图模型转换为一级功能分配图；根据一级功能分配图和预设系统与外界关联系统的数据流端口建立系统级功能架构。

在步骤S2中，识别系统级功能架构潜在的功能失效状态，获得系统级功能架构的第一故障参数。

具体而言，将系统级功能架构逐级分解，生成子功能层级树；对功能层级树中一级功能建立含有参数交互的功能逻辑模型；逐级识别子功能层级树潜在的功能失效状态，在功能逻辑模型中查找第一故障参数集。

在步骤S3中，利用SysML模型的XMI通用建模文件对第一故障参数集转换，生成初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA。

可以理解为，在建立系统级功能架构时，各功能均已嵌入相关功能安全性分析参数，利用SysML模型的XMI通用建模文件转换相关安全性分析参数，自动生成初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA。

在步骤S4中，通过初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，反馈给系统设计师进行修正。

在本发明的一个实施例中，步骤S4进一步包括：将初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA反馈给安全性分析专家；安全性分析专家对初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA补充修正，得到系统功能故障模式与影响分析列表FMEA；通过系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，并反馈给系统设计师，从而系统设计师根据更新后的SysML中指出存在功能故障的地方进行修正。

在步骤S5中，根据系统级功能架构建立系统组件架构。

在步骤S1确定系统级功能架构后，分析所有功能的故障模式，选择出合适的备选组件执行这些功能，也就是说，将功能都分配给具体结构组件进行执行，进而建立系统组件架构。

需要说明的是，通过块定义图和内部模块图建模方式定义系统组件架构的具体组成结构以及组件之间的交互。

在步骤S6中，识别系统组件架构的潜在故障风险以及研制风险，获得系统组件架构的第二故障参数集。

同样地，与步骤S2相似，识别出系统组件架构中每个组件的潜在故障和研制过程可能会出现的故障，也就是说第二故障参数集包括所有组件会出现的故障的参数值。

在步骤S7中，利用SysML模型的XMI通用建模文件对第二故障参数集转换，生成初步组件故障模式与影响分析列表FMEA。

同样地，与步骤S3相似，利用SysML模型的XMI通用建模文件转换相关组件的安全性分析参数，自动生成初步组件故障模式与影响分析列表FMEA。

在步骤S8中，通过初步组件故障模式与影响分析列表FMEA更新步骤S4中的SysML模型，反馈给系统设计师进一步修正。

在本发明的一个实施例中，将初步组件故障模式与影响分析列表FMEA反馈给安全性分析专家；安全性分析专家对初步组件故障模式与影响分析列表FMEA补充修正，得到组件故障模式与影响分析列表FMEA；通过组件故障模式与影响分析列表FMEA更新步骤S4中更新后的SysML模型，反馈给系统设计师，从而，系统设计师对再次更新后的SysML中指出存在组件故障的地方进一步修正。

在步骤S9中，利用Python程序解析SysML模型的XMI通用建模文件，得到故障传播路径。

也就是说，该故障传播路径是利用Python程序从SysML模型导出的底层XMI文件中解析获取的。

在步骤S10中，将故障传输路径与步骤S2和步骤S6中的具体故障模式结合，生成故障树，定性分析故障树得到故障模式集合，并将故障模式集合反馈给系统设计师进行修正。

具体地，先根据系统功能故障模式与影响分析列表FMEA确定出顶层危害事件，利用Python程序找出顶层危害事件的故障传播路径，将故障传播路径与造成功能失效状态的故障模式相结合，得到故障树，重新迭代该故障树，找出存在问题的，可能会出现问题的相关事件，并整理成故障模式集合，反馈给系统设计师，从而，系统设计师根据故障模式集合中指出的事件进行程序改进或是组件上的改进。

下面以高速列车转向架系统设计与安全性分析集成方案为例，以图2所示的流程开展分析。

如图3所示，在需求定义阶段。高速列车系统由车体、列车控制系统、转向架系统、牵引系统、制动系统、电力系统、空调系统及其他高铁子系统构成。针对转向架子系统的设计，利用范围图定义转向架系统与外部环境、相关联系统之间的信息交互。转向架系统连接在高速列车车体上，由电力系统供电，在列车控制系统的控制下，辅助牵引系统、制动系统完成高速列车沿轨运行的需求，除此之外，该系统的运行过程中受到所处环境的影响。以上关联系统之间信息交互的数据流端口即后续设计应该满足的需求。明确转向架系统边界后，建立用例图对转向架系统各个阶段的运行状态进行识别，初步明确该系统各阶段需要满足的需求，建立自然语言描述的需求视图模型。最后将需求转为转向架系统的一级功能分配图。

如图4所示，功能架构定义阶段。基于上述步骤得到的一级功能需求以及该系统与外界关联系统的信息交互端口需求，通过SysML的活动图建立系统级功能架构。该功能架构规定了同级功能间的输入输出参数交互。

进一步地，需要将一级功能逐级分解为子功能层级树，并针对所有一级功能建立含有参数交互的功能逻辑模型。

如表1所示，功能研制与故障风险分析阶段。初步明确系统功能架构后，逐级识别潜在的功能失效状态。因建模过程中，各功能均已嵌入相关安全性分析参数，所以利用SysML的XMI通用建模文件将自动生成高速列车转向架系统功能初步FMEA(即初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA)。

安全性分析专家在该表的基础上进行补充修正，进一步细化功能故障模式的局部影响、系统影响提出后续保障安全性的需求，得到系统功能故障模式与影响分析列表FMEA。

通过XMI通用建模文件，将系统功能故障模式与影响分析列表中的信息反向更新至SysML模型中，向系统设计师及时更新信息，以便系统设计师及时修正，缩小安全性分析与系统设计变更之间的差距。

表1：高速列车转向架系统设计的功能研制与故障风险分析列表

如图5所示，组件架构定义阶段。基于以上初步确定的高速列车转向架功能架构，分析所需功能的故障模式后，选择合适的备选组件来执行需求功能，尽量降低功能故障发生概率。得到功能—结构分配图，进而得出高速列车转向架结构树(即系统级功能架构)。

如表2所示，组件研制与故障风险分析阶段。高速列车转向架系统组件架构定义好之后，需要对组件的潜在故障风险以及研制风险进行识别，通过组件故障模式与影响分析(FMEA)更新安全性分析结果。该分析过程与功能的研制与故障风险分析类似，依据嵌入的相关安全性分析参数自动生成初步的组件FMEA(即初步组件故障模式与影响分析列表FMEA)，经安全性分析专家补充修正之后生成高速列车转向架系统组件FMEA(即组件故障模式与影响分析列表FMEA)。

表2：高速列车转向架系统设计的组件研制与故障风险分析列表

如图6所示，故障树分析阶段。以高速列车转向架系统的“承载失效”事件为顶层危害事件建立故障树，由一级功能FMEA列表可知，该事件的发生是由于“承载力”输出参数与“振动”输出参数的异常而产生的。利用Python程序对该SysML模型的XMI通用建模文件进行解析，得到该顶层危害事件的故障传播路径，最后结合功能故障和组件故障中的具体故障模式，最终得出故障树；

接下来对故障树进行简单的定性分析，找出导致顶事件发生的所有故障模式集合，用于识别当前设计下的薄弱环节，后期继续改进。

需要说明的是，在故障树分析阶段中，最重要的就是找到故障树的最小割集。首先对故障树进行简化，如图6和10所示。顶事件用T1代表，中间事件用M1、M2等代表，底事件由X1、X2等代表。依据高铁转向架承载失败故障树列出的相关事件。

综上，可以理解为，本发明实施例基于广泛使用的SysML系统建模工具，通过三个环节完成集成建模任务：一是建立系统初步设计阶段与安全性分析的建模方法，实现故障分析元模型，如图7所示；二是建立基于SysML的系统设计与安全性分析集成方案，明确具体实施流程，如图2所示；三是基于上述集成模型生成FMEA，如图8和表3-4所示，故障树分析FTA安全性分析执行工具，如图9-10所示，用于后续安全性分析。最后将该集成技术应用于高速列车转向架系统，验证可行性。

表3：基于图8生成的功能FMEA

表4：依据“功能—组件”的分配关系生成的组件FMEA

根据本发明实施例提出的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，通过SysML建模工具实现系统研制早期与安全性评估的统一规范建模，减少人工进行模型之间的转换，缩短系统开发周期。并有效增强安全性分析与系统开发过程的可追溯性，提高安全性评估的准确度，同时，利用SysML模型生成的XMI通用建模文本，抽取安全性分析参数，生成故障模式与影响分析列表，并在SysML中建立“逻辑门”模型库，自由定义多种逻辑门的表达形式，增强该故障树分析工具在实践应用中的可行性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，根据预设系统的功能需求建立系统级功能架构；

S2，识别所述系统级功能架构潜在的功能失效状态，获得所述系统级功能架构的第一故障参数；

S3，利用SysML模型的XMI通用建模文件对所述第一故障参数集转换，生成初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA；

S4，通过所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，反馈给系统设计师进行修正；

S5，根据所述系统级功能架构建立系统组件架构；

S6，识别所述系统组件架构的潜在故障风险以及研制风险，获得所述系统组件架构的第二故障参数集；

S7，利用所述SysML模型的XMI通用建模文件对所述第二故障参数集转换，生成初步组件故障模式与影响分析列表FMEA；

S8，通过所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA更新步骤S4中的SysML模型，反馈给所述系统设计师进一步修正；

S9，利用Python程序解析所述SysML模型的XMI通用建模文件，得到故障传播路径；以及

S10，将所述故障传输路径与步骤S2和步骤S6中的具体故障模式结合，生成故障树，定性分析所述故障树得到故障模式集合，并将所述故障模式集合反馈给所述系统设计师进行修正。

2.根据权利要求1所述的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，所述步骤S1进一步包括：

根据所述预设系统的功能需求，建立需求视图模型；

将所述需求视图模型转换为一级功能分配图；

根据所述一级功能分配图和所述预设系统与外界关联系统的数据流端口建立所述系统级功能架构。

3.根据权利要求1所述的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，所述步骤S2进一步包括：

将所述系统级功能架构逐级分解，生成子功能层级树；

对所述子功能层级树中一级功能建立含有参数交互的功能逻辑模型；

逐级识别所述子功能层级树潜在的功能失效状态，并在所述功能逻辑模型中查找所述第一故障参数集。

4.根据权利要求1所述的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，所述S4进一步包括：

将所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA反馈给安全性分析专家；

所述安全性分析专家对所述初步系统功能故障模式与影响分析列表FMEA补充修正，得到系统功能故障模式与影响分析列表FMEA；

通过所述系统功能故障模式与影响分析列表FMEA更新原SysML模型，并反馈给所述系统设计师进行修正。

5.根据权利要求1所述的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，所述步骤S5进一步包括：

根据所述系统级功能架构将功能分配至具体结构组件，以建立所述系统组件架构。

6.根据权利要求5所述的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，其中，通过块定义图和内部模块图建模方式定义所述系统组件架构的具体组成结构以及组件之间的交互。

7.根据权利要求1所述的基于SysML的复杂系统设计与安全性分析集成方法，其特征在于，所述步骤S8进一步包括：

将所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA反馈给安全性分析专家；

所述安全性分析专家对所述初步组件故障模式与影响分析列表FMEA补充修正，得到组件故障模式与影响分析列表FMEA；

通过所述组件故障模式与影响分析列表FMEA更新所述步骤S4中的SysML模型，反馈给系统所述设计师进一步修正。

Images