基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法在地面站研制中的應用研究

丁健　田峰　金穎

摘要：為了實現(xiàn)地面站的綜合化和可配置化以及滿足不同用戶的使用需求，文章將基于模型的系統(tǒng)工程方法引入地面站的研制過程中。與傳統(tǒng)的地面站研制方法相比，文章所提出的方法不僅能實現(xiàn)虛擬系統(tǒng)模型的早期設計與驗證，還能實現(xiàn)軟件的可配置化設計與快速開發(fā)，解決了快速響應用戶需求等問題。

關鍵詞：系統(tǒng)工程；MBSE；地面站研制；虛擬系統(tǒng)模型；無人機系統(tǒng) 文獻標識碼：A

中圖分類號：TP273 文章編號：1009-2374（2016）12-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.022

1 概述

地面站是一種隨著無人機發(fā)展而產(chǎn)生的新型高科技裝備。它既是支撐無人機系統(tǒng)運行的核心，也是整個大系統(tǒng)實現(xiàn)信息融合、指揮控制的中樞節(jié)點。地面站的特點包括系統(tǒng)通用化和軟件綜合化。由于用戶需求日趨多樣化，地面站的復雜度越來越高，導致地面站同時存在多種技術狀態(tài)，這給設計制造工作帶來了極大的挑戰(zhàn)，主要有如下四點：（1）地面站的研制模式還停留在傳統(tǒng)的“需求滿足型”，即一種基于“指標-對比式”的、從設備子系統(tǒng)到分系統(tǒng)逐級搭積木的模式，這種傳統(tǒng)模式的研制效率較低且遠遠不能滿足地面站的通用化要求；（2）由于沒有建立地面站的需求管理體系，無法在各個階段中對需求的滿足度進行量化追蹤，因此嚴重缺乏對研制方案的仿真驗證能力；（3）地面站的設計輸出形式通常是電子文檔，這些電子文檔不僅規(guī)模大、版本多，而且文字描述常常存在二義性，從而引起對同一事物的不同理解，造成難以控制技術狀態(tài)的局面；（4）雖然數(shù)字化定義已經(jīng)在結構設計中得以實現(xiàn)，但是還未在系統(tǒng)設計中實現(xiàn)，故而“制造、試驗、再制造、再試驗”的研發(fā)模式具有成本高、周期長的缺點。

為了解決上述問題，本文引進一種全新的數(shù)字化研發(fā)模式，即基于模型的系統(tǒng)工程方法：（1）將“需求滿足型”的研制模式轉(zhuǎn)變?yōu)椤靶枨篁?qū)動型”模式，即轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃拥臓恳皆O計；（2）所有傳遞都將基于模型，這樣既可以保證數(shù)據(jù)統(tǒng)一，又能支持虛擬設計和組件化設計；（3）利用組件化設計來實現(xiàn)地面站的通用化、功能配置快速更換以及功能配置自選等功能。本文圍繞上述解決思路，結合地面站的研制實際，將介紹基于模型的系統(tǒng)工程方法應用于地面站過程設計的流程，為后續(xù)地面站的推廣發(fā)展工作提供新的思路和對策。

2 基于模型的地面站系統(tǒng)的過程設計

基于模型的系統(tǒng)工程采用模型的方法描述系統(tǒng)活動。在地面站的研制過程中，自頂向下地將工作內(nèi)容分解為三層：全系統(tǒng)、分系統(tǒng)和子系統(tǒng)。每一層的工作包括需求分析、功能分析和設計綜合三部分。研制過程示意如圖1所示：

2.1 需求分析的過程設計

該階段的設計內(nèi)容包括以下兩個方面：（1）全機的需求定義；（2）行為動作的設計及其關聯(lián)。

需求分析的過程設計分為三個步驟：（1）對用戶需求進行梳理分析后，定義系統(tǒng)需求；（2）設計系統(tǒng)用例；（3）設計用例與需求的關聯(lián)。

通過分析用戶需求，可以獲得飛行控制、任務控制、地面指揮等13類一級需求。根據(jù)需求定義，首先確定地面站的功能邊界，用以識別與之交互的外部系統(tǒng)；其次，將系統(tǒng)需求抽象歸類到各個主要的系統(tǒng)功能，保證一個功能對應一個用例；最后，完成41個一級用例的設計。地面指揮功能的典型系統(tǒng)用例如表1所示：

完成了系統(tǒng)需求設計之后，通過繪制用例圖完成詳細的用例定義，如圖2所示：

利用信息化手段將“需求”和“用例”關聯(lián)起來，并且確保需求和用例被100%覆蓋，見圖3。

2.2 功能分析

功能分析階段的主要工作是設計每個用例的實現(xiàn)方法，并將其具體的工作流程用模型表達出來。

2.2.1 設計指揮控制、飛行監(jiān)控等動作實現(xiàn)的邏輯，再通過活動圖設計每一步的控制邏輯。以地面站的檢測為例，圖4為地面站檢測的活動圖：

2.2.3 運行狀態(tài)圖獲得地面站分系統(tǒng)在常規(guī)狀態(tài)下的響應和因狀態(tài)變化產(chǎn)生的連鎖反應，異常情況輸入還可以獲得系統(tǒng)對異常做出的響應，并最終獲得了經(jīng)過驗證的系統(tǒng)架構。系統(tǒng)架構如圖7所示：

根據(jù)分析結果，地面站分系統(tǒng)應至少分為綜合控制系統(tǒng)（站）、綜合信息處理系統(tǒng)（站）、鏈路終端三部分，其中：起降控制與任務控制功能綜合于綜合控制系統(tǒng)（站）；通過軟件組件化架構設計技術可以實現(xiàn)飛行監(jiān)控、任務監(jiān)控、任務規(guī)劃功能的任意部署，該技術還能滿足余度和多機監(jiān)控的需求。因此，內(nèi)部配置可分解為飛行監(jiān)控子系統(tǒng)、任務監(jiān)控子系統(tǒng)、任務規(guī)劃子系統(tǒng)、鏈路監(jiān)控子系統(tǒng)、綜合處理單元子系統(tǒng)和供電子系統(tǒng)。由運行狀態(tài)可知，該配置不但能完成所有需求，而且配置精簡，效能相對優(yōu)秀。

2.3 設計綜合

該階段工作是將一級功能分配到各子系統(tǒng)，并設計子系統(tǒng)的各種動作的實現(xiàn)方法，其工作步驟與功能分析階段的步驟相同。設計綜合階段的示意圖如圖8所示：

2.4 邏輯層建模到物理層開發(fā)

當大系統(tǒng)到子系統(tǒng)級的三層邏輯建模均完成后，輸出動態(tài)模型用于設備物理層的開發(fā)，包括ICD和軟件模型，具體的開發(fā)流程見圖9：

3 結語

產(chǎn)品研制采用該方法從需求分析到產(chǎn)品交付僅約6個月，質(zhì)量和進度較同類產(chǎn)品高出1倍以上，證明了該方法運行的可行性和有效性，其中：（1）需求分析較清晰完整，設計流程可追溯性強，設計方案可實現(xiàn)早期驗證；（2）在建模過程中，軟件工作已經(jīng)可以通過敏捷開發(fā)的方式啟動，使系統(tǒng)設計和軟件開發(fā)的并行期增加，核心系統(tǒng)軟件開發(fā)時間縮短30%以上；（3）架構開放，通用+專用的組件化設計實現(xiàn)機械接口通用化、匹配自動化、界面配置化，支持用戶需求的快速變化，尤其是在飛行員提出大量修改意見的情況下，POP顯示組件在3天之內(nèi)完成全部換版升級，而處理組件完全不受影響，效率大大提高；（4）可以主動向用戶提功能菜單，支持用戶功能自選；（5）實現(xiàn)起降任務控制一體化設計，成品數(shù)量降低。

上述的設計效果和質(zhì)量還在后續(xù)的使用中繼續(xù)得到實際驗證：該地面站產(chǎn)品成功支持公司某裝備完成飛行任務。通過上述研究，我們應用基于模型的系統(tǒng)工程方法，成功地梳理了需求與產(chǎn)品功能間的關系，實現(xiàn)了系統(tǒng)虛擬模型的早期設計與驗證，實現(xiàn)了軟件的敏捷開發(fā)與可配置化設計，完成了綜合化程度更高、配置性更靈活的綜合地面控制系統(tǒng)研制，實踐證明其效果明顯，為后續(xù)開發(fā)類似復雜產(chǎn)品提供了一種有效的解決方案。

參考文獻

[1] 張新國.國防裝備系統(tǒng)工程中的成熟度理論與應用

[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

作者簡介：丁健，男，四川樂山人，中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司高級工程師，研究方向：自動化；田峰，男，湖南吉首人，中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司高級工程師，研究生，研究方向：航電總體；金穎，女，四川成都人，中航工業(yè)成都飛機工業(yè)（集團）有限責任公司助理工程師，研究生，研究方向：測控指控。

（責任編輯：蔣建華）