CN114417547A - 一种基于模型的载人登月任务系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于模型的载人登月任务系统设计方法，包括：步骤1，任务需求建模；步骤2，能力需求建模；步骤3，系统架构设计；步骤4，系统需求建模；步骤5，仿真分析与验证；步骤6，需求发布。本发明采用基于模型的系统工程方法，将数字化技术向任务前端的需求分析、设计等环节延伸，通过模型的结构化定义和应用，清晰地表达工程设计初期各方面的需求，建立数字化模型并进行设计方案仿真验证，在设计初期就能通过仿真发现大量不合理的环节，将设计闭环前移，提高设计质量和研制效率。

Description

一种基于模型的载人登月任务系统设计方法

技术领域

本发明涉及载人航天技术领域，尤其涉及一种基于模型的载人登月任务系统设计方法。

背景技术

目前，大量航天项目论证工作仍处于基于文档的研制模式，其设计过程存在于大量的文档中，但载人登月飞行任务复杂，如果仍采用传统基于文档方案的论证迭代频率高，设计难度非常大，技术状态控制数量极多，文档内容与数量空前增加，文档间技术状态一致性难以保证，现有基于文档的工程设计方法已无法满足未来载人登月任务设计要求：

(1)需求的不一致性、不可追溯性：对于每条功能需求，一般由若干技术指标参数来覆盖，而每个参数指标又与多个关联参数存在复杂逻辑关系，每个关联参数的变化，可能影响到其他系统指标参数，导致其不同层级需求之间的关系错综复杂，“牵一发而动全身”。而基于文档的工程设计方法中，不同层级的需求以报告形式描述，不同报告之间的追溯关系隐含在设计师头脑中，易导致需求冗余、需求丢失、需求不合理现象，一旦发生变更难以进行准确的影响域分析。

(2)方案权衡难以达到最优：随着设计深入，系统复杂度不断提升，系统复杂度、设计信息的关联度、技术专业的耦合度、自主功能要求都大幅度增长，基于文档的工程设计方法中，需要通过集同开会协调确定技术指标的分配、系统架构组成与系统功能等，依靠人工协调梳理识别各专业之间的接口，协调效率低、系统性、完备性差，指标分配和方案权衡难以达到最优。

(3)仿真分析代价过大：在传统的总体设计模式下，方案设计的是否合理只能通过实物试验进行验证，实物验证发现的问题再向设计端反馈，设计师修改完成后再生产、再试验、再反馈，一方面，早期的系统验证缺乏有效手段，实物“验证/确认”代价大，将工程研制周期显著拉长，成本和周期都难以掌控；另一方面，航天任务场景和工作模式越来越复杂，面临着复杂的新环境，设计师越来越难以完整地在地面把整个工程实际过程模拟出来，只能通过分析仿真验证。

现有基于文档的工程设计方法已无法满足未来载人登月任务设计要求，迫切需要建立新的设计方法，以确保各级表述清晰、完整准确，无二义性；以实现需求变更影响域的快速分析，加快设计迭代；以缩短研制周期，提升研制质量；可形成先进的设计研发能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于模型的载人登月任务系统设计方法，以改变严重依赖文本、经验的粗放管理模式，解决基于文本的数据源不唯一、设计人员理论不一致、造成设计反复迭代等问题；缩短研制周期，提升研制质量，并形成先进的设计研发能力。

本发明提供了一种基于模型的载人登月任务系统设计方法，包括如下步骤：

步骤1，任务需求建模，包括：

步骤1.1，建立任务需求包结构；

步骤1.2，以上级下达的任务目标为输入，识别系统边界和外部参与者，使用uc图呈现任务涉及的利益攸关方，用actor元素表示具体利益攸关方，用generalization元素构建利益攸关方之间的关联关系；

步骤1.3，根据已识别的利益攸关方需要、期望和能够明确的约束条件形成条目化任务需求，并使用requirement元素承载，所述requirement元素均集中指向任务的目标或与实现任务目标直接相关的行为，使用dependency关系建立利益攸关方与任务需求的关联；

步骤1.4，建立bdd图，用block元素抽象概况可能的任务运行环境或任务背景，并将可识别的运行环境条件添加为任务背景block的组成部分，为开展体系架构设计或系统需求分析提供需求分配对象和追溯源头；

步骤1.5，对建立的任务需求模型、任务背景或运行环境进行复核，如出现不明确的、缺失的任务需求或约束，重复复步骤1.2～步骤1.4建模步骤，直至任务需求、任务背景及其描述通过审核；

步骤2，能力需求建模，包括：

步骤2.1，建立能力需求包结构；

步骤2.2，根据任务需求设计任务基本方案，建立初步任务运行场景，并使用uc图呈现任务运行场景；

步骤2.3，在建立初步任务运行场景、定义任务各阶段行为特征的基础上，识别与行为特征相对应的能力需求，并建立条目化需求模型，使用requirement元素承载；

步骤2.4，依据任务运行场景，对推导出的能力需求进行复核，确保每个任务阶段均有相应的能力需求与之对应；如出现不明确的、缺失的能力需求，重复步骤2.2～步骤2.3建模步骤，直至能力需求模型通过审核，并建立能力需求与任务阶段间的dependency关系；

步骤3，系统架构设计，包括：

步骤3.1，建立,体系架构包结构；

步骤3.2，以初步任务运行场景为输入，定义任务方案评价准则，组织相关领域专家进行专项分析和综合评价；

步骤3.3，通过方案权衡，确定载人月球探测任务系统组成，并使用bdd图呈现体系架构，用block元素具体表示工程相关系统，用directed composition元素按照层级关系连接体系架构与组成系统；

步骤4，系统需求建模，包括：

步骤4.1建立系统需求包结构；

步骤4.2，以初步任务运行场景为主线和输入，进一步细化飞行方案或飞行任务剖面，使用act图呈现细化后的飞行方案或任务场景，用call behavior action元素表示场景中的飞行任务阶段，用control flow，merge node元素建立飞行任务阶段之间的逻辑顺序；

步骤4.3，进一步分析每个飞行阶段需开展的关键功能活动，使用户act图呈现细化后的飞行任务事件，用call behavior action元素表示该任务阶段的关键功能活动，用control flow，merge node元素建立关键功能活动之间的逻辑顺序；

步骤4.4，在细化后的飞行任务阶段活动图中建立泳道分区，将体系架构中建立的相关系统block作为各泳道分区的主体和功能活动分配对象，按照功能活动的隶属关系，将步骤4.3中识别的关键功能活动分配到相应系统的泳道分区中，并进一步识别和建立系统间、系统内部关键的对象流传递关系；通过多次迭代步骤4.2～步骤4.4，建立用于支持系统任务逻辑流程仿真的功能模型；

步骤4.5，在完成关键功能活动分配基础上，根据关键功能的行为特性识别相关的功能需求、性能需求，并建立由requirement元素承载的条目化需求；系统需求中的关键指标，通过仿真、试验或论证分析后确定；

步骤4.6，依据关键功能和系统需求分配情况，对步骤4.5推导出的系统需求进行复核，确保每项系统需求都至少有一个call behavior action关键功能活动与之关联；如出现系统需求不明确或缺失，重复步骤4.2～步骤4.5建模步骤；

步骤5，仿真分析与验证，包括：

步骤5.1，利用系统需求分析过程中建立的系统行为模型，开展任务逻辑流程仿真，验证飞行时序及系统间交互关系的协调性、功能设计的正确性、故障对策的有效性、以及需求对功能活动的覆盖性，并根据分析结果决策是否需迭代步骤4.3～步骤4.5工作步骤；

步骤5.2，针对系统需求建模中提出的关键性能需求，利用bbd图、par图及调用外部分析计算工具，建立相关仿真分析模型，对关键性能需求与设计约束开展关联仿真分析，验证需求与约束的匹配性，并根据分析结果决策是否需迭代步骤4.3～步骤4.5工作步骤；

步骤5.3，以飞行任务剖面为索引，建立支持系统功能性能等多学科综合仿真的功能模型，开展系统闭环仿真，验证总体方案的正确性、性能指标分配的合理性、系统间接口的匹配性，并根据仿真验证结果决策是否需迭代步骤4.3～步骤4.5工作步骤；

步骤6，需求发布，包括：

步骤6.1，建立需求汇总包结构；

步骤6.2，建立需求汇总表requirement table，将任务需求模型、能力需求模型、系统需求模型汇总；

步骤6.3，建立上下级需求之间、需求与活动之间的关联关系，为开展需求覆盖性、追溯性分析提供依据；

步骤6.4，将需求表中的需求数据导出至需求管理工具中；

步骤6.5，将经过确认的条目化需求模型、全周期任务运行场景、需求文档发布至相关系统或单位。

进一步地，所述步骤4.5包括：

(1)推导关键功能事件相关的系统需求：

根据关键功能活动开展系统功能分析，进而捕获对相关系统的功能需求、性能需求，并构建关键功能活动与功能需求、性能需求的refine关系；

(2)推导通用性系统需求：

针对通用性需求，在步骤(1)基础上，建立初步评估准则，开展相关仿真或试验分析，根据分析结果利用MoE的block值属性捕获相关需求，MoE的block作为承载相关系统设计输入的模型元素。

进一步地，所述步骤6.3包括：

1)建立上下级需求依赖矩阵：

建立需求关系矩阵dependencymatrix，关联任务需求与能力需求、能力需求与系统需求，在上下级需求之间建立依赖关系；

2)建立需求与活动之间的依赖矩阵：

建立需求关系矩阵refinerequirement matrix，关联能力需求与飞行任务阶段用例，关联系统需求与关键功能活动，在不同层级需求与用例、活动之间建立精化关系。

借由上述方案，通过基于模型的载人登月任务系统设计方法，具有如下技术效果：

(1)建立精细化的需求分析与管理模式，确保需求的一致性、可追溯性。

本发明遵循一体化设计思想，采用基于模型的系统工程方法和数字化设计手段，提升系统方案协同设计水平和跨系统协同设计效率，支撑大量的总体与系统分析和接口协调设计工作的快速开展，高效率完成方案更新和验证迭代，确保设计研制任务的顺利完成。

(2)建立统一的系统功能模型，支持多专业协同、指标分配与方案权衡。

建立统一的系统架构模型，各专业在此基础上开展协同设计，实现多专业高效、准确沟通；基于统一架构开展接口定义设计，确保信息传递的一致性、正确性，进而实现指标分配和方案权衡的最优，为后续各类仿真验证奠定基础。

(3)建立论证阶段的系统仿真模型，将仿真前移，形成基于模型的验证模式，提高各个设计阶段的闭环仿真验证能力。

本发明可以系统性地识别环境影响因素及其不确定性，予以量化，在设计早期利用模型进行充分验证，确保更全面的方案优选、更快速的分析验证，提高系统设计的正确性，降低研制风险。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明需求分析与系统设计流程(CATIA Magic模型示意图)；

图2是本发明任务需求建模流程(CATIA Magic模型示意图)；

图3是本发明能力需求建模流程(CATIA Magic模型示意图)；

图4是本发明体系架构设计建模流程(CATIA Magic模型示意图)；

图5是本发明系统需求建模流程(CATIA Magic模型示意图)；

图6是本发明仿真验证流程(CATIA Magic模型示意图)；

图7是本发明需求发布流程(CATIA Magic模型示意图)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明采用基于模型的系统工程(Model-Based Systems Engineering,MBSE)方法，将数字化技术向任务前端的需求分析、设计等环节延伸，通过模型的结构化定义和应用，清晰地表达工程设计初期各方面的需求，建立数字化模型并进行设计方案仿真验证，在设计初期就能通过仿真发现大量不合理的环节，将设计闭环前移，提高设计质量和研制效率。建立载人任务的基于MBSE的数字化需求模型，由于模型的唯一性，还为各方设计人员提供了一个统一的、无二义性的设计信息交流工具。采用基于模型的系统工程思想、方法、工具和手段，实现基于模型的工程型号任务设计流程再造，打通了型号任务研制全过程数据链路，建设覆盖工程需求建立和系统设计仿真的数字化协同环境，建立了一种针对未来载人登月任务基于MBSE的设计方法。具体方案如下：

1、需求类型

通过建立数字化模型，在系统工程V字形左端的方案深化论证和方案设计等环节，大量增加基于模型的设计迭代，将之前的实物集成测试前移到设计阶段的小闭环验证，尽早实现方案闭环。利用需求模型可实现各级需求的关联、追溯与分析。利用功能模型对系统的任务逻辑流程以及系统的功能、性能进行仿真验证，验证需求满足情况、系统设计的正确性、协同性和优化性，识别和确认用户需求。

利用需求管理模块建立条目化需求模型，之后需求管理模块向SysML建模分析模块输出型号初始基线需求条目，SysML建模分析模块将初始基线需求条目转化为需求图，设计人员以需求图为起点开展基于SysML的需求分析。经过需求分析后，SysML建模分析模块将形成的新的需求条目输出给需求管理模块，由需求管理模块更新需求条目，并建立受控的基线版本。所有的需求条目及需求分析模型存入需求模型数据库。SysML建模分析模块中的需求图是文本化的需求条目与基于SysML的需求分析的结合点，文本化的需求条目可通过SysML建模分析模块转化为需求图，反过来需求图中的需求也可通过SysML建模分析模块转化为可输出的需求条目，再由需求管理模块来对其进行版本控制。

根据载人登月任务特点，将需求类型将其分为以下三类：

(1)任务需求Mission Requirement

实现任务目标和满足各级利益攸关方的顶层需求，常使用自然语言描述，例如：2人着陆月球表面、月面停留时间不少于3天等。

(2)能力需求Capability Requirement

为实现任务目标和满足任务需求需要具备的能力，通过全任务过程场景设计、并经权衡分析后推导派生得出，常使用自然语言描述，例如：飞船具备地月转移和月地转移的能力等。

(3)系统需求System Requirement

为满足任务需求和能力需求，通过开展详细系统设计，导出的系统功能、性能、接口等派生需求，常使用自然语言和定量化指标描述，例如火箭运载能力、航天员人均活动空间等。

2、需求分析与系统设计流程

建立需求模型，并实现需求模型向功能模型的智能转换。利用系统层次的任务总体仿真模型库，实现任务逻辑流程仿真。以任务需求模型为输入，开展系统功能分析、系统架构设计与权衡，完善需求模型，并验证需求满足情况及任务流程的正确性。功能与架构设计软件利用SysML语言的块图、内部块图、用例图、包图、活动图、序列图、状态机图和参数图等九类图，建立对系统结构、行为和参数的图形化描述。利用系统层次的任务总体仿真模型库，开展仿真分析。

基于MBSE的需求分析与系统设计流程分为任务需求建模、能力需求建模、系统架构设计、系统需求建模、仿真分析与验证、需求发布六个基本步骤，如图1所示。

1)任务需求建模设计方法和内容

全面收集并记录任务实施中各利益攸关方的需要和期望，并将任务目标及相关需要转化为明确、可标识的任务需求模型元素，以便后续任务分析、系统设计过程中快速查询、提取和追溯。

输入：顶层下达任务(通常为文本或正式场合下提出的和任务相关的指示要求)。

输出：任务需求模型(包括任务目标、利益攸关方需求、任务背景或运营环境条件等)。

SysML图/表：uc图、req图、bdd图、req表。

SysML模型元素：actor、use case、package、requirement、generalization、block、directed composition、merge node、decision node。

其建模过程分为以下5个步骤，如图2所示。

Step-1任务需求模型组织：建立“任务需求”包结构(package)。

Step-2识别利益攸关方：以上级下达的任务目标为输入，识别系统边界和外部参与者，使用uc图呈现任务涉及的利益攸关方，用actor元素表示具体利益攸关方，用generalization元素构建利益攸关方之间的关联关系。

Step-3提取利益攸关方需求：根据已识别的利益攸关方需要、期望和能够明确的约束条件形成条目化任务需求，并使用requirement元素承载，这些requirement元素均应集中指向任务的目标或与实现任务目标直接相关的行为，使用dependency关系建立利益攸关方与任务需求的关联。

Step-4构建任务背景或运行环境：建立bdd图，用block元素抽象概况可能的任务运行环境或任务背景，并将可识别的运行环境条件(如自然环境、已有的技术条件、管理体系和可用的资源等)添加为任务背景block的组成部分(block元素和directedcomposition元素)，为开展体系架构设计或系统需求分析提供需求分配对象和追溯源头。

Step-5任务需求复核：对建立的任务需求模型、任务背景或运行环境进行复核，如出现不明确的、缺失的任务需求或约束，应重复复step2～step4建模步骤，直至任务需求、任务背景及其描述通过审核。

2)能力需求建模设计方法和内容

通过开展覆盖全任务周期的运行场景分析，推导出为实现任务目标和满足任务需求所需具备的能力，并将能力转化为明确可标识的能力需求模型元素，以便后续系统分析、系统设计和验证过程中快速查询、提取和追溯。

输入：任务需求模型。

输出：能力需求模型(为满足任务要求应具备的能力，形成条目化能力需求)、任务场景(任务剖面)。

SysML图/表：uc图、req图、req表。

SysML模型元素：package、use-case、requirement、dependency、block、include、association、merge node、decision node。

其建模过程分为以下4个步骤，如图3所示。

Step-1能力需求模型组织：建立“能力需求”包结构(package)。

Step-2建立初步任务运行场景：根据任务需求设计任务基本方案，建立初步任务运行场景，并使用uc图呈现任务运行场景。用use-case元素具体表示任务总体运行场景、以及覆盖任务全周期的任务阶段(use-case命名应指向为满足任务需求而开展的某种活动)，并在总体运行场景和任务阶段间建立include关系，在任务阶段use-case间建立association关系，呈现任务阶段的逻辑顺序，必要时可根据设计要求利用act图对某个场景进行展开和细化。

Step-3推导能力需求：在建立初步任务运行场景、定义任务各阶段行为特征的基础上，识别与行为特征相对应的能力需求，并建立条目化需求模型，使用requirement元素承载。

Step-4能力需求复核：依据任务运行场景，对推导出的能力需求进行复核，确保每个任务阶段均有相应的能力需求与之对应。如出现不明确的、缺失的能力需求，应重复step2～step3建模步骤，直至能力需求模型通过审核，并建立能力需求与任务阶段间的dependency关系。

3)体系架构建模设计方法和内容

结合任务需求和能力需求分析，确定初步体系架构，经过备选任务方案比较权衡确定工程系统组成，为系统需求分析提供输入。

输入：任务需求模型、能力需求模型。

输出：任务体系架构(系统组成)。

SysML图/表：bdd图。

SysML元素：block、directed composition、package。

其建模过程分为以下3个步骤，如图4所示。

Step-1体系架构模型组织：建立“体系架构”包结构(package)。

Step-2备选任务方案比较权衡：以初步任务运行场景为输入，定义任务方案评价准则，组织相关领域专家进行专项分析和综合评价。

Step-3确定体系架构：通过方案权衡，确定载人月球探测任务系统组成，并使用bdd图呈现体系架构，用block元素具体表示工程相关系统，用directed composition元素按照层级关系连接体系架构与组成系统。

4)系统需求建模设计方法和内容

结合任务初步方案开展系统设计，细化任务剖面，推导出各任务剖面关键功能活动，将关键功能活动分配到体系架构中的相关系统，通过关键功能活动引出相关系统需求，并转化为明确、可标识的系统需求模型元素，以便后续各系统/分系统分析、设计和验证过程中快速查询、提取和追溯。

输入：任务需求模型、能力需求模型、任务场景、任务体系架构。

输出：系统需求模型(各系统/分系统功能、性能要求)、功能模型(支持任务逻辑流程仿真的逻辑模型)。

SysML图/表：act图、stm图、req图、req表、dm表(依赖矩阵)。

SysML元素：call behavior action、refine、requirement、block、directedcomposition、control flow、merge node、decision node、join node、fork node、initialnode、activity final、allocated activity partition、package。

其建模过程分为以下6个步骤，如图5所示。

Step-1系统需求模型组织：建立“系统需求”包结构(package)。

Step-2细化任务运行场景：以初步任务运行场景为主线和输入，进一步细化飞行方案或飞行任务剖面，使用act图呈现细化后的飞行方案或任务场景，用call behavioraction元素表示场景中的飞行任务阶段，用control flow，merge node等元素建立飞行任务阶段之间的逻辑顺序。

Step-3细化飞行任务阶段：进一步分析每个飞行阶段需开展的关键功能活动，使用户act图呈现细化后的飞行任务事件(可根据实际建模需要配合使用stm图)，用callbehavior action元素表示该任务阶段的关键功能活动，用control flow，merge node等元素建立关键功能活动之间的逻辑顺序。

Step-4关键功能活动分配至体系架构：在细化后的飞行任务阶段活动图中建立泳道分区(allocated activity partition)，将体系架构中建立的相关系统block作为各泳道分区的主体和功能活动分配对象，按照功能活动的隶属关系，将Step3中识别的关键功能活动分配到相应系统的泳道分区中，并进一步识别和建立系统间、系统内部关键的对象流(信号、数据、能量等)传递关系。通过多次迭代Step2～Step4，建立可用于支持系统任务逻辑流程仿真的功能模型。

Step-5推导系统需求：在完成关键功能活动分配基础上，根据关键功能的行为特性识别相关的功能需求、性能需求，并建立由requirement元素承载的条目化需求。系统需求中的关键指标，须通过仿真、试验或论证分析后方可确定。

Step-5.1推导关键功能事件相关的系统需求：根据关键功能活动开展系统功能分析(活动图、状态机图)，进而捕获对相关系统的功能需求、性能需求，并构建关键功能活动与功能需求、性能需求的refine关系。

Step-5.2推导通用性系统需求：针对医学、工效学、六性等通用性需求，在Step5.1基础上，建立初步评估准则，开展相关仿真或试验分析，根据分析结果利用“Measurementsof Effectiveness(MoE)”block的值属性捕获相关需求，例如可靠性、安全性指标等，“MoE”block作为承载相关系统设计输入的模型元素。

Step-6关键功能活动及系统需求复核：依据关键功能和系统需求分配情况，对Step5推导出的系统需求进行复核，确保每项系统需求都至少有一个call behavioraction关键功能活动与之关联。如出现系统需求不明确或缺失，应重复Step2～Step5建模步骤。

5)仿真分析与验证方法和内容

基于功能模型完成总体方案、飞行方案、故障对策的任务逻辑流程仿真和方案物理闭环仿真；基于功能模型、产品模型实现系统间接口协调和匹配性验证，基于工程模型完成结构、力、热、电磁等专业分析与仿真，从而验证方案的有效性和可行性，完成系统功能和系统需求的验证评估。

输入：功能模型、产品模型、工程模型。

输出：仿真与分析结果(反馈至图5中Step-4工作步骤)。

用图/表：act图、sd图、stm图、req图、ibd图、bbd图、par图、Modelica模型图等。

仿真验证分为以下3个步骤，如图6所示。

Step-1逻辑流程仿真验证：利用系统需求分析过程中建立的系统行为模型(活动图、状态机图、时序图等)，开展任务逻辑流程仿真，验证飞行时序及系统间交互关系的协调性、功能设计的正确性、故障对策的有效性、以及需求对功能活动的覆盖性，并根据分析结果决策是否需迭代图5中Step-3～Step-5工作步骤。

Step-2关键需求指标仿真分析与验证：针对系统需求建模中提出的关键性能需求，利用bbd图、par图及调用外部分析计算工具(Matlab、STK、Modelica等)，建立相关仿真分析模型，对关键性能需求与设计约束开展关联仿真分析，验证需求与约束的匹配性，并根据分析结果决策是否需迭代图5中Step-3～Step-5工作步骤。

Step-3系统闭环仿真验证：以飞行任务剖面为索引，建立支持系统功能性能等多学科综合仿真的功能模型，开展系统闭环仿真，验证总体方案的正确性、性能指标分配的合理性、系统间接口的匹配性，并根据仿真验证结果决策是否需迭代图5中Step-3～Step-5工作步骤。该仿真可基于SysML逻辑流程推演，也可搭建专门的仿真平台开展。

6)需求发布方法和内容

通过需求管理工具对任务需求模型、能力需求模型、系统需求模型中的条目化需求进行状态固化，将经过确认的条目化需求模型、全周期任务运行场景、需求文档发布至各系统。

输入：任务需求模型、能力需求模型、系统需求模型。

输出：需求文档和条目化需求模型。

SysML图/表：requirement table、satisfy requirement matrix、dependencymatrix、refinerequirement matrix、Doors表。

SysML元素：package。

其过程分为以下5个步骤，如图7所示。

Step-1需求汇总模型组织：建立“需求汇总”包结构(package)。

Step-2生成需求数据表：建立需求汇总表requirement table，将任务需求模型、能力需求模型、系统需求模型汇总。

Step-3建立需求依赖矩阵：建立上下级需求之间、需求与活动之间的关联关系，为开展需求覆盖性、追溯性分析提供依据。

Step-3.1建立上下级需求依赖矩阵：建立需求关系矩阵dependencymatrix，关联任务需求与能力需求、能力需求与系统需求，在上下级需求之间建立“依赖”关系。

Step-3.2需求与活动之间的依赖矩阵：建立需求关系矩阵refinerequirementmatrix，关联能力需求与飞行任务阶段用例(use case元素)，关联系统需求与关键功能活动，在不同层级需求与用例、活动之间建立“精化”关系。

Step-4需求条目导出：将需求表(requirement table)中的需求数据导出至需求管理工具中。

Step-5需求发布：将经过确认的条目化需求模型、全周期任务运行场景、需求文档发布至相关系统或单位。

本发明提出了基于MBSE开展载人登月任务设计的方法和工作流程。明确需求类型及定义，并围绕需求建模与分析过程，提出一种系统架构设计、功能设计、仿真分析与验证的基本方法，明确了建模的具体步骤、输入输出关系、SysML图/表使用规范，目的是在载人登月方案论证与方案设计阶段，规范基于模型的需求分析与系统设计工作，确保需求覆盖全面、设计严密精准、建模质量可控，为后续开发覆盖全任务周期的数字化设计、技术管理流程奠定基础。

本发明基于未来载人登月任务，融合现有型号工程设计方法(基于文本)和基于模型系统工程设计方法，提出了针对未来载人登月任务的需求分析和系统设计方法，弥补了现有基于文本研制方法的差距，包括：尚未形成有效的需求分析与管理手段，跨院所、跨系统、跨分系统间难以开展统一的需求管理与追溯，难以验证需求的不足；仍主要依赖人工和基于本文的工作模式进行论证和设计工作，不能在工程研制各阶段对系统方案进行综合集成仿真和验证，难以进行有效的设计迭代、优化和系统间协同的不足。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于模型的载人登月任务系统设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，任务需求建模，包括：

步骤1.1，建立任务需求包结构；

步骤1.2，以上级下达的任务目标为输入，识别系统边界和外部参与者，使用uc图呈现任务涉及的利益攸关方，用actor元素表示具体利益攸关方，用generalization元素构建利益攸关方之间的关联关系；

步骤1.3，根据已识别的利益攸关方需要、期望和能够明确的约束条件形成条目化任务需求，并使用requirement元素承载，所述requirement元素均集中指向任务的目标或与实现任务目标直接相关的行为，使用dependency关系建立利益攸关方与任务需求的关联；

步骤1.4，建立bdd图，用block元素抽象概况可能的任务运行环境或任务背景，并将可识别的运行环境条件添加为任务背景block的组成部分，为开展体系架构设计或系统需求分析提供需求分配对象和追溯源头；

步骤1.5，对建立的任务需求模型、任务背景或运行环境进行复核，如出现不明确的、缺失的任务需求或约束，重复复步骤1.2～步骤1.4建模步骤，直至任务需求、任务背景及其描述通过审核；

步骤2，能力需求建模，包括：

步骤2.1，建立能力需求包结构；

步骤2.2，根据任务需求设计任务基本方案，建立初步任务运行场景，并使用uc图呈现任务运行场景；

步骤2.3，在建立初步任务运行场景、定义任务各阶段行为特征的基础上，识别与行为特征相对应的能力需求，并建立条目化需求模型，使用requirement元素承载；

步骤2.4，依据任务运行场景，对推导出的能力需求进行复核，确保每个任务阶段均有相应的能力需求与之对应；如出现不明确的、缺失的能力需求，重复步骤2.2～步骤2.3建模步骤，直至能力需求模型通过审核，并建立能力需求与任务阶段间的dependency关系；

步骤3，系统架构设计，包括：

步骤3.1，建立,体系架构包结构；

步骤3.2，以初步任务运行场景为输入，定义任务方案评价准则，组织相关领域专家进行专项分析和综合评价；

步骤3.3，通过方案权衡，确定载人月球探测任务系统组成，并使用bdd图呈现体系架构，用block元素具体表示工程相关系统，用directed composition元素按照层级关系连接体系架构与组成系统；

步骤4，系统需求建模，包括：

步骤4.1建立系统需求包结构；

步骤4.2，以初步任务运行场景为主线和输入，进一步细化飞行方案或飞行任务剖面，使用act图呈现细化后的飞行方案或任务场景，用call behavior action元素表示场景中的飞行任务阶段，用control flow，merge node元素建立飞行任务阶段之间的逻辑顺序；

步骤4.3，进一步分析每个飞行阶段需开展的关键功能活动，使用户act图呈现细化后的飞行任务事件，用call behavior action元素表示该任务阶段的关键功能活动，用control flow，merge node元素建立关键功能活动之间的逻辑顺序；

步骤4.4，在细化后的飞行任务阶段活动图中建立泳道分区，将体系架构中建立的相关系统block作为各泳道分区的主体和功能活动分配对象，按照功能活动的隶属关系，将步骤4.3中识别的关键功能活动分配到相应系统的泳道分区中，并进一步识别和建立系统间、系统内部关键的对象流传递关系；通过多次迭代步骤4.2～步骤4.4，建立用于支持系统任务逻辑流程仿真的功能模型；

步骤4.5，在完成关键功能活动分配基础上，根据关键功能的行为特性识别相关的功能需求、性能需求，并建立由requirement元素承载的条目化需求；系统需求中的关键指标，通过仿真、试验或论证分析后确定；

步骤4.6，依据关键功能和系统需求分配情况，对步骤4.5推导出的系统需求进行复核，确保每项系统需求都至少有一个call behavior action关键功能活动与之关联；如出现系统需求不明确或缺失，重复步骤4.2～步骤4.5建模步骤；

步骤5，仿真分析与验证，包括：

步骤5.1，利用系统需求分析过程中建立的系统行为模型，开展任务逻辑流程仿真，验证飞行时序及系统间交互关系的协调性、功能设计的正确性、故障对策的有效性、以及需求对功能活动的覆盖性，并根据分析结果决策是否需迭代步骤4.3～步骤4.5工作步骤；

步骤5.2，针对系统需求建模中提出的关键性能需求，利用bbd图、par图及调用外部分析计算工具，建立相关仿真分析模型，对关键性能需求与设计约束开展关联仿真分析，验证需求与约束的匹配性，并根据分析结果决策是否需迭代步骤4.3～步骤4.5工作步骤；

步骤5.3，以飞行任务剖面为索引，建立支持系统功能性能等多学科综合仿真的功能模型，开展系统闭环仿真，验证总体方案的正确性、性能指标分配的合理性、系统间接口的匹配性，并根据仿真验证结果决策是否需迭代步骤4.3～步骤4.5工作步骤；

步骤6，需求发布，包括：

步骤6.1，建立需求汇总包结构；

步骤6.2，建立需求汇总表requirement table，将任务需求模型、能力需求模型、系统需求模型汇总；

步骤6.3，建立上下级需求之间、需求与活动之间的关联关系，为开展需求覆盖性、追溯性分析提供依据；

步骤6.4，将需求表中的需求数据导出至需求管理工具中；

步骤6.5，将经过确认的条目化需求模型、全周期任务运行场景、需求文档发布至相关系统或单位。

2.根据权利要求1所述的基于模型的载人登月任务系统设计方法，其特征在于，所述步骤4.5包括：

(1)推导关键功能事件相关的系统需求：

根据关键功能活动开展系统功能分析，进而捕获对相关系统的功能需求、性能需求，并构建关键功能活动与功能需求、性能需求的refine关系；

(2)推导通用性系统需求：

针对通用性需求，在步骤(1)基础上，建立初步评估准则，开展相关仿真或试验分析，根据分析结果利用MoE的block值属性捕获相关需求，MoE的block作为承载相关系统设计输入的模型元素。

3.根据权利要求1所述的基于模型的载人登月任务系统设计方法，其特征在于，所述步骤6.3包括：

1)建立上下级需求依赖矩阵：

建立需求关系矩阵dependencymatrix，关联任务需求与能力需求、能力需求与系统需求，在上下级需求之间建立依赖关系；

2)建立需求与活动之间的依赖矩阵：

建立需求关系矩阵refinerequirement matrix，关联能力需求与飞行任务阶段用例，关联系统需求与关键功能活动，在不同层级需求与用例、活动之间建立精化关系。

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