CN112380625A - 适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，包括：将利益相关者需求转化为系统需求，定义系统用例，进行用例规划；将确认的用例翻译成可执行的黑盒模型，通过模型的动态行为仿真验证模型与相关的系统需求；针对系统需求提出一系列符合要求的备选方案，寻求最优架构方案；将功能分析的系统级黑盒模型逐步展开为子系统级白盒模型，通过增量迭代的方式使相互独立的子系统集成为完整的系统架构。本发明在系统开发过程中增加小迭代，减少大迭代，在设计早期对模型进行测试，确定合理的架构设计思路，防止将早期设计中的问题带入验证阶段，降低了系统设计的复杂性，有效解决系统工程中需求变更问题。
Description
技术领域
本发明涉及系统工程的架构设计技术领域，具体而言涉及一种适于飞行器机载系统架构 设计的aMBSE方法。
背景技术
随着我国航空工业的快速发展，航空产品的研制方式由逆向仿制向自主创新转变，对国 防军工以及民用飞机系统的新型需求日益增多。飞机系统的规模和复杂程度也越来越高，尤 其是跨学科、交叉学科系统的出现，使得传统的基于文本系统工程(Text-BasedSystem Engineering，TSE)难以满足现阶段复杂系统的研制要求。
目前，现代系统工程正在发生着从基于文档到基于模型的范式转变。在此背景下，2007 年国际系统工程协会(International Council on Systems Engineering,INCOSE)给出了基于模型 的系统工程(Model Based Systems Engineering,MBSE)的定义：“基于模型的系统工程是一 种在整个系统开发过程中持续贯穿整个生命周期的标准化建模工具，通过形式化的建模手段， 通过概念建模的形式支持系统需求分析，系统分析和设计，及后续的仿真和验证”。INCOSE发 布的2025年系统工程前景规划把MBSE作为系统工程推广和发展的重要方向。根据规划， 2010年开始对MBSE设计标准进行不断修正和规范，2020年前后形成较为成熟和规范的 MBSE理论，到2025年，将MBSE方法推广到各个工业设计领域，成为主流系统工程方 法。
现阶段，基于模型的系统工程方法已经在航空航天业逐渐崭露头角，美国国家航空航天 局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、波音、空客、洛克希德马丁、 欧洲导弹集团、轨道科学公司，国内例如中国商飞、中航工业等都已开始尝试将MBSE方 法应用到实际飞机及其系统设计过程中。
2011年9月，美国加利福尼亚州PARC研究中心承担的DARPA自适应运载器制造 计划子项目META实现交付，META项目开发了一套适用于MBSE不同阶段的语言和工具， 用以规范系统复杂度和可用性的评估标准，以及基于MBSE方法的系统设计的流程与平台 工具。2012年，NASA下属的兰利航天中心在用于执行实验任务的国际空间站外部装置 MISSE-X的需求分析和系统设计时应用了MBSE方法，期间采用No Magic公司的 MagicDraw平台建立基于MBSE方法、SysML语言的系统数字模型，并以Vitech公司开 发的CORE平台进行模型内部参数和外部需求的管理。
MBSE在国内的研究起步较晚，中航工业于2014年率先启动了MBSE的试点项目， 与国内北京航空航天大学等多家高校合作，将MBSE技术应用于在新型飞机或系统的研发过程中，提高系统和产品效率，优化系统工作流程和内容。而在航空产品的研发初期，新型飞机或系统的需求往往不完善，部分需求尚不明确或捕获困难，且需求变更频繁。MBSE技术面对系统需求变更都将从需求分析开始重新分析整个流程，容易出现排斥需求变更，系统架 构不稳定，导致工程返工、时间和成本超支，严重拖延了工程进展。
敏捷开发的概念在2001年随着敏捷宣言的发表而开始为人所知，它是一种迭代式增量开 发过程，每一次迭代都建立在稳定的质量基础上，并作为下一轮迭代的基线。整个系统的功 能随着迭代稳定地增长和不断完善。每次迭代要邀请用户代表(外部或内部)验收，提供需求 是否满足的反馈。大量国内外知名企业采用了敏捷开发方法，并广泛应用于各个领域：大型 数据库应用、嵌入式电信系统、大型企业级软件项目、商业软件、游戏软件等等。
敏捷系统工程(Agile Systems Engineering)是INCOSE 2015系统工程手册的主题内容之 一。敏捷性是系统和流程所展现的一种能力，使系统能够在不可预测和变化的条件下维持有 效的运营。敏捷系统工程的价值主张是风险管理。当系统开发过程中需求变更可能会影响开 发速度和产品质量时，选择敏捷系统工程的方法就可以改善这些问题。
在敏捷开发实践过程中，根据敏捷开发的实践经验，直接将敏捷方法不作任何改进就运 用到系统开发中的情况极为少见。因此，在采用MBSE方法的系统设计中，对于需求的捕获 及定义，以及需求模型的建立及分析过程，都可结合敏捷开发方法。在实际开发流程的需求 分析、功能分析、架构设计三个阶段着重采取敏捷开发方法进行建模。基于模型的敏捷系统 工程(Agile Model-Based Systems Engineering，aMBSE)就是一种以MBSE技术流程为主线 进行敏捷开发的方法，同时具备了MBSE与敏捷系统工程的优点。
然而，目前应用在飞行器机载系统中的MBSE方法仍存在以下问题：
(1)需要一次性说明所有的系统需求，而实际应用中，系统需求是在不断修正和增减的， 这导致飞行器机载系统的开发变得相当低效。
(2)在一次性说明所有系统需求的基础上，测试用例也需同步全部提出，一旦系统需求 出现变更或验证过程中出现问题，测试用例也需要重新定义，增加了工作量，研发周期相当 长。
(3)专业团队工作分工不明确，工作效率低。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足，提供一种适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法， 在建模开发过程中不断进行増量迭代基于模型与客户紧密沟通，以构建用例和需求建模作为 起步，每个阶段用各种模型将设计思想固定下来，并把模型作为下一个阶段设计依据。先明 确的需求先开发，在需求分析阶段建立需求模型，在系统分析与设计阶段建立系统性能模型， 在基础的硬/软件设计阶段则实现上述模型的要求。在设计过程中增加小的迭代，减少大的迭 代，在需求分析阶段、系统分析和架构设计阶段就对模型进行测试，以期尽早发现问题，确 定合理的设计思路。防止将早期设计中的问题带入验证阶段，尽力避免对需求分析和系统分 析设计的颠覆性修改。它降低了系统设计的复杂性，能有效解决系统工程中需求变更问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，所述aMBSE方法包括以下步骤：
S1，收集与飞行器机载系统相关的利益相关者信息，形成利益相关者需求；
S2，开展需求分析，将利益相关者需求转化为系统需求，建立追溯关系；对部分系统需 求进行梳理得到若干个功能需求和非功能需求，根据功能需求定义系统用例，使每个用例均 具有对应的功能需求，进行用例规划，确定用例开发的优先级；
S3，对用例功能进行分析，通过SysML活动图、时序图和状态机，将需求分析阶段确认 的用例翻译成可执行的黑盒模型，并通过模型的动态行为仿真来验证模型与相关的系统需求；
S4，根据系统需求提出一系列符合要求的备选方案，对备选方案进行权衡分析，寻求最 优架构方案；
S5，针对已规划的用例进行增量迭代，通过白盒活动图、时序图和状态机将步骤S3中的 黑盒模型展开为子系统级的白盒模型，并通过SysML模块定义图和内部模块图来描述所设计 的系统架构。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
进一步地，步骤S1中，所述飞行器机载系统的利益相关者需求包括：(1)给出高精度定 位信息，(2)获得包括速度、姿态和航向在内的导航要素，(3)引导飞机按照预定计划飞行， (4)所需导航性能和实际导航性能估计。
进一步地，步骤S2中，进行用例规划，确定用例开发的优先级的过程包括以下步骤：
分析每个用例的特性，对独立用例和非独立用例进行分类整合；
针对分类整合后的独立用例和非独立用例进行优先级评定，其中，具有相关性的非独立 用例视为整体分析。
进一步地，步骤S2中，所述开展需求分析，将利益相关者需求转化为系统需求，建立追 溯关系；对部分系统需求进行梳理得到若干个功能需求和非功能需求，根据功能需求定义系 统用例，使每个用例均具有对应的功能需求，进行用例规划，确定用例开发的优先级的过程 包括以下步骤：
S21，分析筛选利益相关者需求，生成系统需求，关联系统需求和利益相关者需求；
S22，针对系统需求定义系统用例；
S23，对用例进行规划，确定本次迭代用例；
S24，关联系统需求到迭代用例，优化和组织系统用例；
S25，返回步骤S23，按照第一预设周期对用例进行持续优化，并按照第二预设周期将优 化后的用例输出；所述第一预设周期小于第二预设周期。
进一步地，步骤S3中，所述对用例功能进行分析，通过SysML活动图、时序图和状态机，将需求分析阶段确认的用例翻译成可执行的黑盒模型，并通过模型的动态行为仿真来验 证模型与相关的系统需求的过程包括以下步骤：
S31：定义用例模型上下文，创建块定义图，定义用例系统背景环境，用模块表示位置估 计用例及与用例相关的参与者的关系；
S32：创建用例黑盒活动图，定义用例工作流，通过所包含的决策节点，将功能流划分为 多个分支路径；
S33，选择本次微循环的分支工作流，推导相应的用例场景；在一个用例中，存在一个或 者多个用例场景；
S34，根据黑盒时序图的交互逻辑，在BDD中定义用例块与参与者之间的交互端口和接 口信息；
S35，根据已有的活动图工作流和用例场景，设计可执行的状态机，用以表示当前用例的 状态行为变化；
S36，通过模型动态仿真验证，针对现有的模型元素进行修改和再测试，校正表述不当的 系统需求、识别遗漏的系统需求，直至需求恰当且无遗漏；
S37，返回步骤S33，重新迭代其他分支工作流，完善整个迭代用例的黑盒模型。
进一步地，步骤S4中，所述根据系统需求提出一系列符合要求的备选方案，对备选方案 进行权衡分析，寻求最优架构方案的过程包括以下步骤：
S41，识别关键的系统功能；
S42，定义满足系统需求的备选解决方案，导入架构权衡分析工作流中确定该备选解决方 案是否可行；在架构权衡分析工作流中，定义有用于判断解决方案适用性的评估准则、用于 决定每个评估准则重要性的权重，以及每个评估准则对应的效用曲线；
S43，采用评估准则对每个备选解决方案进行评估，为其分配有效性测度，以寻找最合适 的解决方案；
S44，对子系统架构解决方案进行组合，构成飞行器机载系统整体架构的解决方案。
进一步地，步骤S5中，所述针对已规划的用例进行增量迭代，通过白盒活动图、时序图 和状态机将步骤S3中的黑盒模型展开为子系统级的白盒模型，并通过SysML模块定义图和 内部模块图来描述所设计的系统架构的过程包括以下步骤：
S51，针对迭代中的系统用例，识别子系统模块；
S52，向子系统模块分配系统需求；
S53，考虑子系统模块的系统需求和功能，将对应的系统用例的黑盒活动图、时序图中各 步骤分配到对应的子系统模块中，以黑盒模型为基础，将黑盒活动图工作流进行分组分配， 得到白盒活动图，导出白盒场景；
S54，根据系统黑盒时序图中的交互消息，识别子系统模块在用例执行中扮演的角色，细 化系统操作，构建用以表示子系统之间的交互逻辑的相关场景；
S55，根据已有的白盒活动图和时序图，导出子系统模块的状态机，进行子系统需求验证； 若发现需求错误或需求变更问题，对用例的白盒模型进行修改；
S56，扩充系统需求，返回步骤S52，重复迭代过程，直至系统需求扩充完毕；创建相应 的可执行的黑盒和白盒模型，以识别所有与子系统相关的功能、流和需求；
S57，根据子系统模块的内部属性和逻辑接口，合并所有已实现的子系统模块到飞行器机 载系统的集成系统架构模型中。
本发明的有益效果是：
(1)本发明在整个设计过程中增加小的迭代，减少大的迭代，在设计过程中就对模型进 行测试，以期尽早发现问题，确定合理的设计思路。防止将早期设计中的问题带入验证阶段， 尽力避免对需求分析和系统分析设计的颠覆性修改。它降低了系统设计的复杂性，能有效解 决系统工程中需求变更问题，具有较高的应用价值。
(2)考虑实际工程中经常出现的需求不完善、需求变更频繁的情况，区别于MBSE的阶段式开发，在本发明中，需求分析是一种增量迭代的开发过程。这意味着在系统设计中不需要一次性说明所有的系统需求。在复杂的系统工程设计中，我们可能需要面对几十个用例 场景，因此需要对用例进行规划，确定用例开发的优先级。
附图说明
图1为系统需求图。
图2为用例图。
图3为系统需求到用例的追溯关系示意图。
图4为位置估计用例的黑盒活动图。
图5为位置估计用例的黑盒时序图。
图6为位置估计用例的黑盒状态机示意图。
图7为拟合的精度效用曲线示意图。
图8为系统架构的模块定义图(BDD)。
图9为将系统需求分配到子系统的流程图。
图10位置估计用例的白盒活动图。
图11位置估计用例的白盒时序图。
图12为集成的导航系统架构示意图。
图13是本发明的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法的流程图。
图14是本发明的需求分析工作流示意图。
图15是本发明的用例功能分析工作流示意图。
图16是本发明的架构分析工作流示意图。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
具体实施例一
本发明所要解决的技术问题是：在传统的MBSE开发流程的基础上，考虑需求不完善和 需求变更频繁的问题，结合敏捷系统工程的思想，对MBSE的开发流程进行改进。在MBSE 研发流程需求分析、功能分析、架构设计三个阶段结合敏捷开发方法进行建模。针对实际工 程项目的实施情况，进行设计规划，在工程实践中增加小循环快速迭代，减少整个工程大迭 代。在系统需求定义和架构设计阶段中对模型进行测试，以期尽早发现需求问题，形成一种 合理的架构设计思路。
本发明提供一种飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
结合图12，本发明提及一种适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，包括：
步骤一、从系统的各种利益相关者收集信息，形成规范的利益攸关者需求。
步骤二、开展需求分析，将利益相关者需求转化为系统需求，并建立追溯关系。再根据 所梳理的功能需求定义系统用例，并进行用例规划，确定用例开发的优先级。
步骤三、用例功能分析，通过SysML活动图、时序图、状态机，将需求分析阶段确认的 用例翻译成可执行的黑盒模型，并通过模型的动态行为仿真来验证模型与相关的系统需求。
步骤四、架构分析，根据系统需求提出一系列符合要求的备选方案，进行权衡分析，寻 求最优架构方案。
步骤五、架构设计是针对已规划的用例进行增量迭代，通过白盒活动图、时序图、状态 机将功能分析的黑盒模型展开为子系统级的白盒模型，并通过SysML模块定义图(BDD)和 内部模块图来描述所设计的系统架构。
所述步骤一的具体过程为：
利益攸关方(Stakeholder)，也称“利益相关者”、“干系人”，是指能影响项目决策、活 动或结果的个人、群体或组织，以及会受或自认为会受项目决策、活动或结果影响的个人、 群体或组织。
利益攸关者需求是反映从系统的各种利益相关者收集的信息。这些信息包括主要用户需 求、与系统相关的政府法规、政策、程序和内部指南等。这可以通过采访利益相关者，给他 们发放问卷，在焦点小组中讨论需求，或者研究不同格式的文档来捕获利益攸关者需求。当 然，以这些方式所引出的需求信息是原始的，需要进行详细的分析和细化，形成规定系统要 求的基础。良好的利益攸关者需求是无歧义的、可理解的，并且针对系统必须满足的需要是 可验证的表述。显而易见，有歧义的或不明确的需求不是很有用，无法验证的表述也是如此。 需求从其所表述的范围上看应当是“黑盒”，并且关注对外部可见的特性，而内部的特性将在 设计中进行规定。
所述步骤二的具体过程为：
需求分析的主要任务是将利益攸关者需求翻译成系统需求，进而设计系统功能需求衍生 的系统功能用例，并进行用例规划，确定用例开发的优先级。
不同于利益攸关者需求，系统需求是对可观察到的系统特性的精确的、可测试的表述。 系统需求主要定义系统必须做什么(功能性需求)以及如何执行好(服务质量需求)。功能性 需求规定了系统的行为、用户和其他系统如何交互，系统提供什么能力等；服务质量需求则 规定了行为的性能、可靠性和安全性等。除此之外，还有其他的非功能需求，如成本、系统 效能、可维护性等。在利益攸关者需求被翻译为系统需求时，注意逐条建立这些需求集之间 的追溯关系，便于后续系统设计时对利益攸关者需求进行追踪，避免需求遗漏从而保证系统 设计结果具有充分的可用性和完整性。
根据已翻译的系统功能需求定义若干功能用例，功能用例可以完整的对系统的某个功能 进行描述，并通过用例模型(用例图)定义了外部角色和用例之间的交互关系。与某用例进 行信息交流的可能某个自然人，某个系统或部件，也可能是另外一个功能用例。
区别于MBSE的阶段式开发，在aMBSE中需求分析是一种增量迭代的开发过程。这意味着在系统设计中不需要一次性说明所有的系统需求。在复杂的系统工程设计中，我们可能 需要面对几十个用例场景，因此需要对用例进行规划，确定用例开发的优先级。用例规划后， 还需要在迭代开发的用例和系统需求与之间建立追溯性关系，使得每一个用例必须有其对应 的功能需求，这样可以快速定位需求变化，避免由需求变化引起的“蝴蝶效应”。当然，系统 设计中每次迭代都可能包含对原有规划的调整，优化和组织系统用例。图14是需求分析工作 流示意图。
所述步骤三的具体过程为：
活动图、时序图和状态机图是SysML提供的指定描述系统行为的三种选择。三种图都可 以表达连续和并发的行为，以及随着时间的推移发生的事件。在建立用例图之后，针对每个 用例需要进行详细设计，从活动图、时序图、状态机图三个动态行为角度描述用例的功能。 这与结构图(BDD、IBD和参数图)相对，结构图都是静态视图，不会表达任何动态的时间， 或者系统及其环境的变化。
活动图(Activity Diagram)表示系统用例的功能流，是最为常用的SysML行为模型。 活动图通过行为表示对象一一事件、能量或者数据的流动。关注系统操作时，对象是如何在 行为的执行过程中被访问和修改的。活动图可以表达复杂的控制逻辑。
时序图(Sequence Diagram)表示系统用例场景。时序图主要用来直观的表达各个对象交互 而发生的行为和事件的时间顺序，将体现的重点放在以时间为参照，各个对象发送、接收、 处理和返回消息的时间顺序流程，通过描述对象之间发送消息的时间顺序显示多个对象之间 的动态协作。一般而言，依据时序图中对象的交互逻辑定义系统端口与接口。
状态机(State Machine)表示系统用例的状态行为。状态机图不同于活动图的每种节点 下的详细工作流，状态机图更强调系统导航的所有可能状态以及由于各种事件的发生而引起 的状态间的转移。图15是用例功能分析工作流示意图。
用例功能分析以需求分析结果为输入，根据需求分析所规划的用例优先级进行功能分析， 建立活动图、时序图和状态机模型，并根据时序图中的交互逻辑，定义静态结构图中的操作 属性和端口属性。用例的功能分析建模主要有三种类似的实现途径：基于流的用例分析、基 于场景的用例分析和基于状态的用例分析。它们仅仅是模型的实现顺序不同，其最终的结果 基本一致。结果都包括活动图、一组场景集(时序图)、可执行的状态机图、以及更新后的需 求集等，其详细的实现过程如图所示。
aMBSE的用例功能分析是一个微循环的开发过程。在系统建模过程中，可以先做用例活 动的一部分，推演出相应的用例场景和状态机，来验证部分系统需求和设计思路是否正确， 再在后续的微循环中升级系统需求做更多的用例分析。实现一个用例的功能分析建模后，根 据需求追溯性链接检查模型元素，再迭代开发其他用例。甚至，可以让其他团队并行开发其 他用例模型。这样可以极大地加快了工作速度、缩短研发周期。
所述步骤四的具体过程为：
架构分析阶段也称为权衡分析研究。考虑到会有一些硬件和/或软件架构都满足于一组给 定的功能性和性能性需求，优化设计概念是基于一套标准(如有效性度量MoEs)，根据相对重 要性的加权，详细阐述出系统权衡分析的各种状况。
架构分析着眼于备选架构，并从中选取最优的架构。架构分析的途径是首先识别关键的 系统功能，然后提出可以满足系统需求的备选架构。在权衡研究的工作流中，我们将定义用 于判断解决方案适用性的准则(评估准则)以及每个准则的重要性(权重)。我们可能需要为 实际上是非线性的准则定义效用曲线。这些准则还称为有效性测度(MOE)。我们根据每个准 则对每个备选解决方案进行评估，并且寻找最合适的解决方案。有时，子系统架构解决方案 的组合将成为所设计系统整体架构的解决方案。图16是架构分析工作流示意图。
所述步骤五的具体过程为：
架构设计的重点是依托于功能分析阶段设计的黑盒模型，将系统功能性和非功能性需求 分配到子系统架构中。即将前两个阶段产出的一系列功能用例细化为颗粒度较小的子系统， 从而完成由黑盒视角模型到白盒视角模型的转变。
架构设计阶段需要识别用例所涉及的子系统。子系统属于系统的一大部分，其提供一组 相关的功能性集合，并且以工程学科(例如机械、电子和软件)的组合来实现。子系统对于 它们的同级来说是一个黑盒，通过定义接口提供并请求服务。接口是对系统接收和发送的能 量、物质或信息(控制和/或数据)的离散的或连续的流的定义。若是不同的子系统由不同的 团队开发，规定好接口对系统综合和运行是至关重要的。此外，本活动中定义的接口是逻辑 上的而不是物理的，因为我们要关注的是流的本质属性，而不是它的物理现象。相比于功能 分析产出物，即活动图、时序图、状态图等，此阶段的产出物更加注重细节，对系统的描述 也更加完整。
架构分析与步骤三的功能分析类似，也是一个微循环的迭代开发过程。在系统架构设计 过程中，基于架构分析的结论识别出用例所涉及的子系统，再将黑盒模型展开向子系统分配 一部分系统需求和活动，推演出相应的用例场景和状态机，来验证部分子系统需求和设计思 路是否正确，再在后续的微循环中升级迭代更多的系统需求。完成一个用例的子系统架构设 计后，将其集成到系统架构模型中，再迭代完善其他子系统。
具体实施例二
本实施例以某机型的导航系统为例，从确定利益攸关者需求、需求分析、功能分析、架 构分析和架构设计五个阶段说明该方法在导航系统设计中的实现流程。
在导航系统设计中，首先从导航系统的各种利益相关者收集信息，从中梳理利益攸关方 需要，并建立了利益攸关方需要到标准规范的追溯关系；其次将利益相关者需求转化为系统 需求，并根据系统功能需求定义系统用例，进行用例规划，确定导航系统用例开发的优先级； 然后进入功能分析增量迭代开发中，通过SysML活动图、时序图、状态机，将用例翻译成可 执行的黑盒模型，并通过模型的动态行为仿真来验证模型与相关的系统需求；再根据系统需 求提出一系列符合要求的备选方案，进行架构权衡分析，寻求最优架构方案；最后针对已规 划的用例进行增量迭代，将黑盒模型展开为子系统级的白盒模型，结合架构分析的结果，将 所设计的子系统模型集成为系统架构。
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
一、确定利益攸关者需求
为了保证空中交通安全并高效运行，在全球范围内，民用导航系统正向通信、导航、监 视/空中交通管理(CNS/ATM)空域体系发展。导航系统是CNS/ATM的核心系统，它引导飞 机沿预定的航线，安全、按时、准确地从一点飞到目的地。为此，导航系统必须在任何飞行 时间和各种飞行环境下具备如下功能：
①给出高精度定位信息(时间，经度、纬度、高度)。
②获得必要的导航要素如速度、姿态、航向等。
③引导飞机按预定计划飞行。
④所需导航性能和实际导航性能估计(ANP)。
此外，从导航系统的各种利益相关者收集信息，并分析FAA、EASA和ICAO等权威机构发布的与导航系统相关的设计运行指导文件，从中梳理利益攸关方需要，包括导航系统的 可靠稳定、配置经济、维护少、方便、快捷等要求。
二、需求分析
需求分析的主要任务是将利益攸关者需求翻译成系统需求，进而设计系统功能需求衍生 的系统功能用例，并进行用例规划，确定用例开发的优先级。
不同于利益攸关者需求，系统需求是对可观察到的系统特性的精确的、可测试的表述。 系统需求主要定义系统必须做什么(功能性需求)以及如何执行好(服务质量需求)。功能性 需求规定了导航系统的行为、用户和其他系统如何交互，导航系统应提供什么能力等；服务 质量需求则规定了行为的性能、可靠性和安全性等。除此之外，还有其他的非功能需求，如 导航设备成本、导航系统效能、可维护性等。在利益攸关者需求被翻译为系统需求时，在 Enterprise Architect建模平台定义需求图，如图1所示。
根据导航系统功能需求可以定义位置估计、路径定义和路径引导3个顶层用例，并确立 相关的参与者，包括GNSS卫星、DME导航台、GBAS地面导航台等，建立系统用例和参与者的关联关系。图2是系统用例图，由参与者(Actor)、用例(Use Case)、边界以及它们之 间的关系构成。它是参与者所能观察到的系统功能的模型图，是系统设计的蓝图。
区别于MBSE的阶段式开发，在aMBSE中需求分析是一种增量迭代的开发过程。这意味着在系统设计中不需要一次性说明所有的系统需求。在复杂的系统工程设计中，我们可能 需要面对几十个用例场景，因此需要对用例进行规划，确定用例开发的优先级。
在需求分析中，位置估计的功能需求完善且用例独立性高，可以优先对该用例单独分析， 以便在不引入细微错误的情况下继续工作。而非独立的用例，必须同时分析，以确保它们不 冲突。例如，路径定义与路径引导用例有明显的依赖关系，可以下一次迭代中同时分析。当 然，系统设计中每次迭代都可能包含对原有规划的调整，优化和组织系统用例。为确保已识 别的用例能完整地覆盖系统需求，就需要建立起需求到用例的追溯，如图3所示。
三、功能分析
用例功能分析以需求分析结果为输入，实现用例分析建模。分析用例有三种类似的实现 途径：基于流的用例分析、基于场景的用例分析和基于状态的用例分析。它们仅仅是模型的 实现顺序不同，其最终的结果基本一致。结果都包括活动图、一组场景集(时序图)、可执行 的状态机图、以及更新后的需求集等。本发明采用最常见、最普遍的基于流的用例分析方法， 以需求分析中优先级最高的位置估计用例为例，说明迭代过程。
创建块定义图，定义用例系统背景环境，用模块(Block)表示位置估计用例及与用例相 关的参与者(如GNSS卫星、飞行员等)的关系。
创建用例黑盒活动图，定义位置估计用例工作流，通过飞机状态和飞行航段等决策节点， 将功能流划分为多个分支路径。根据系统需求，选择飞机起飞前的情况进行详细的建模描述， 此时导航接收机应接收GNSS卫星信号，设置惯导初始化参数，进行惯性基准系统的初始化 校准，而其余分支的工作流可在后续的微循环迭代中完善，图4是完整的位置估计活动图。
根据本次微循环所选的分支工作流，推导相应的用例场景。在一个用例中，可以存在多 个用例场景。图5是根据飞机起飞前的工作流导出的黑盒时序图，阐明了位置估计用例与 GNSS卫星及飞行员之间的交互顺序。
根据黑盒时序图的交互逻辑，在BDD中定义用例块与参与者之间的交互端口和接口信息。 图5中GNSS卫星向位置估计用例发送导航电文，则两者之间存在交互端口，接口会定义相 应的交互数据流。
根据已有的活动图工作流和用例场景，设计可执行的状态机如图6所示，表示当前用例 的状态行为变化。
通过模型动态仿真验证，可以校正表述不当的系统需求、识别遗漏的系统需求。若需求 恰当且无遗漏，可以从步骤2重新开始迭代其他分支工作流，完善整个用例的黑盒模型。否 则，针对现有的模型元素进行修改、再测试，直至满足系统需求，才能迭代分析更多的系统 需求。
用例分析过程是一个极短的循环迭代过程。在用例分析推进之前，并非一定要创建完整 的系统用例模型。可以先做用例活动的一部分，推演出相应的用例场景和状态机，来验证系 统需求和设计思路是否正确，再在后续的微循环中升级系统需求做更多的用例分析。
在进行位置估计用例的功能分析的同时，其他团队也可以采用这种增量迭代式的方法， 并行开发其他用例的黑盒模型，提升工作效率、缩短研发周期。
四、架构分析
架构分析的目的是从一系列符合系统要求的备选方案中选出最佳的实现方案，作为架构 设计的参考。在实际实施过程中，我们首先要对导航系统的黑盒模型进行研究，同时参考ATA 34导航系统章节，梳理出系统的关键功能。导航系统应该包括提供无线电高度、提供姿态数 据、提供GNSS卫星位置等几十个关键功能。然后选择其中的一个功能，提出满足要求的解 决方案。
以提供无线电高度功能为例，表1中Colins公司的LRA-700、Thomson的AHV-530、Honeywell的ALT-4000等型号的无线电高度表(RA)都能满足民机导航系统功能要求。因此可以将这些RA作为备选方案。
表1定义备选解决方案
在架构权衡分析中，我们需要明确备选方案的评估标准。拟从精度、安全性、购买成本、 维修成本四个准则对RA进行评估。所有评估标准不是同等重要的，根据单个评估标准对整 体方案的相对重要性，对评估标准赋予权重。RA的评估标准的排序及所分配到的权重如表2 所示，其中精度是最重要的评估标准。
表2评估准则的权重分配
针对RA的精度评估标准，创建各个准则的效用曲线，图7拟合的精度效用曲线。效用 是决策者对权衡因素满足程度的具体量化，而效用曲线反应了权衡因素满足决策者愿望和倾 向的程度。再将每个型号的RA精度值输入效用曲线中，可以得到相应的有效性度量(MOE)。 RA的精度值越小，输出的MOE越大，表示系统的满意程度越高。
根据每个评估准则的效用曲线计算相应的MOE，对四个评估准则的MOE进行加权，得 到各个备选解决方案的加权评估分数，从中可以选择最佳的实现方案。最后增量迭代的分析 其余的关键功能，直到合并所有功能的解决方案形成系统的最优架构中。
五、架构设计
架构设计是基于系统用例将功能分析的黑盒模型逐步展开为白盒模型的迭代开发过程。 它作为aMBSE开发流程的最后一环，有两方面的目的：一方面，希望识别复杂系统的子系 统部件，及其功能和(逻辑)接口；另一方面，希望通过对系统的分解，将子系统分配到相 互独立的多学科下游工程团队，以这样的方式使相互独立的子系统开发能够以最小的混乱和 代价增量式地集成在一起。
针对迭代中的位置估计用例，要求识别子系统部件。这些子系统最终会构成系统架构， 架构可以是架构分析的结果，或是一个给定的架构。通过上一节的架构分析，可以确定导航 系统的最优方案。根据架构分析的结果，并考虑系统功能需求，可以将导航系统分为多模接 收机(MMR)、惯性导航系统(IRS)、大气数据系统(ADS)、飞行管理系统(FMS)等子系 统。图8是导航系统块定义图(BDD)。
定义子系统部件后，还需向子系统分配系统需求，必要时还需在迭代中扩充系统需求。 图9是将系统需求分配给已定义的子系统部件。
考虑这些子系统应具备的系统需求和功能，将位置估计用例的黑盒活动图、时序图中各 步骤分配到对应的子系统模块中。图10是位置估计的白盒活动图，每个泳道框对应一个子系 统部件，每个泳道内部均有独立的操作，即将活动(Activity)分配到相应的飞机级功能中， 而泳道之间信号连接则代表着不同功能之间的交互行为。从图中可以看出，白盒活动图以黑 盒模型为基础，将黑盒活动图工作流进行分组分配，是对黑盒活动的细化与分配。
同样，在系统用例分析中，已经建立了用例的黑盒用例场景。在架构设计过程中需要根 据系统黑盒时序图中的交互消息，识别子系统在用例执行中扮演的角色，细化系统操作，从 而构建更详细的场景表示子系统之间的交互逻辑。图11是位置估计用例的白盒时序图。图中 外部系统GNSS卫星向MMR发送信号，飞行员对FMS设置初始化参数。这些子系统之间的 交互消息、事件或流，基本上都是由系统用例分配给它们执行。由此改进子系统的接口，以 及间接地分配需求。
根据已有的白盒活动图和时序图，可以导出子系统模块的状态机，进行子系统需求验证。 若发现需求错误或需求变更等问题，应对用例的白盒模型进行修改，避免将问题带到系统集 成环节。
在本实例中，仅详细介绍了位置估计用例的分析流程，后续将继续分析其他系统用例， 重复这样的系统设计过程，创建相应的可执行的黑盒和白盒模型，以识别所有与子系统相关 的功能、流和需求。随着系统设计的迭代逐步完善子系统模型，最后根据子系统块的内部属 性和逻辑接口，构建如图12的导航系统架构。
另外，针对某一组用例的系统设计需要相当的专业知识储备。因此，在进行位置估计用 例建模的同时，其他专业团队也可以采用这种增量迭代式的方法，并行开发其他用例模型。 这样可以极大地加快了工作速度、缩短研发周期。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于 本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，所述aMBSE方法包括以下步骤：
S1，收集与飞行器机载系统相关的利益相关者信息，形成利益相关者需求；
S2，开展需求分析，将利益相关者需求转化为系统需求，建立追溯关系；对部分系统需求进行梳理得到若干个功能需求和非功能需求，根据功能需求定义系统用例，使每个用例均具有对应的功能需求，进行用例规划，确定用例开发的优先级；
S3，对用例功能进行分析，通过SysML活动图、时序图和状态机，将需求分析阶段确认的用例翻译成可执行的黑盒模型，并通过模型的动态行为仿真来验证模型与相关的系统需求；
S4，根据系统需求提出一系列符合要求的备选方案，对备选方案进行权衡分析，寻求最优架构方案；
S5，针对已规划的用例进行增量迭代，通过白盒活动图、时序图和状态机将步骤S3中的黑盒模型展开为子系统级的白盒模型，并通过SysML模块定义图和内部模块图来描述所设计的系统架构。
2.根据权利要求1所述的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，步骤S1中，所述飞行器机载系统的利益相关者需求包括：(1)给出高精度定位信息，(2)获得包括速度、姿态和航向在内的导航要素，(3)引导飞机按照预定计划飞行，(4)所需导航性能和实际导航性能估计。
3.根据权利要求1所述的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，步骤S2中，进行用例规划，确定用例开发的优先级的过程包括以下步骤：
分析每个用例的特性，对独立用例和非独立用例进行分类整合；
针对分类整合后的独立用例和非独立用例进行优先级评定，其中，具有相关性的非独立用例视为整体分析。
4.根据权利要求1所述的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，步骤S2中，所述开展需求分析，将利益相关者需求转化为系统需求，建立追溯关系；对部分系统需求进行梳理得到若干个功能需求和非功能需求，根据功能需求定义系统用例，使每个用例均具有对应的功能需求，进行用例规划，确定用例开发的优先级的过程包括以下步骤：
S21，分析筛选利益相关者需求，生成系统需求，关联系统需求和利益相关者需求；
S22，针对系统需求定义系统用例；
S23，对用例进行规划，确定本次迭代用例；
S24，关联系统需求到迭代用例，优化和组织系统用例；
S25，返回步骤S23，按照第一预设周期对用例进行持续优化，并按照第二预设周期将优化后的用例输出；所述第一预设周期小于第二预设周期。
5.根据权利要求1所述的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，步骤S3中，所述对用例功能进行分析，通过SysML活动图、时序图和状态机，将需求分析阶段确认的用例翻译成可执行的黑盒模型，并通过模型的动态行为仿真来验证模型与相关的系统需求的过程包括以下步骤：
S31：定义用例模型上下文，创建块定义图，定义用例系统背景环境，用模块表示位置估计用例及与用例相关的参与者的关系；
S32：创建用例黑盒活动图，定义用例工作流，通过所包含的决策节点，将功能流划分为多个分支路径；
S33，选择本次微循环的分支工作流，推导相应的用例场景；在一个用例中，存在一个或者多个用例场景；
S34，根据黑盒时序图的交互逻辑，在BDD中定义用例块与参与者之间的交互端口和接口信息；
S35，根据已有的活动图工作流和用例场景，设计可执行的状态机，用以表示当前用例的状态行为变化；
S36，通过模型动态仿真验证，针对现有的模型元素进行修改和再测试，校正表述不当的系统需求、识别遗漏的系统需求，直至需求恰当且无遗漏；
S37，返回步骤S33，重新迭代其他分支工作流，完善整个迭代用例的黑盒模型。
6.根据权利要求1所述的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，步骤S4中，所述根据系统需求提出一系列符合要求的备选方案，对备选方案进行权衡分析，寻求最优架构方案的过程包括以下步骤：
S41，识别关键的系统功能；
S42，定义满足系统需求的备选解决方案，导入架构权衡分析工作流中确定该备选解决方案是否可行；在架构权衡分析工作流中，定义有用于判断解决方案适用性的评估准则、用于决定每个评估准则重要性的权重，以及每个评估准则对应的效用曲线；
S43，采用评估准则对每个备选解决方案进行评估，为其分配有效性测度，以寻找最合适的解决方案；
S44，对子系统架构解决方案进行组合，构成飞行器机载系统整体架构的解决方案。
7.根据权利要求1所述的适于飞行器机载系统架构设计的aMBSE方法，其特征在于，步骤S5中，所述针对已规划的用例进行增量迭代，通过白盒活动图、时序图和状态机将步骤S3中的黑盒模型展开为子系统级的白盒模型，并通过SysML模块定义图和内部模块图来描述所设计的系统架构的过程包括以下步骤：
S51，针对迭代中的系统用例，识别子系统模块；
S52，向子系统模块分配系统需求；
S53，考虑子系统模块的系统需求和功能，将对应的系统用例的黑盒活动图、时序图中各步骤分配到对应的子系统模块中，以黑盒模型为基础，将黑盒活动图工作流进行分组分配，得到白盒活动图，导出白盒场景；
S54，根据系统黑盒时序图中的交互消息，识别子系统模块在用例执行中扮演的角色，细化系统操作，构建用以表示子系统之间的交互逻辑的相关场景；
S55，根据已有的白盒活动图和时序图，导出子系统模块的状态机，进行子系统需求验证；若发现需求错误或需求变更问题，对用例的白盒模型进行修改；
S56，扩充系统需求，返回步骤S52，重复迭代过程，直至系统需求扩充完毕；创建相应的可执行的黑盒和白盒模型，以识别所有与子系统相关的功能、流和需求；
S57，根据子系统模块的内部属性和逻辑接口，合并所有已实现的子系统模块到飞行器机载系统的集成系统架构模型中。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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