基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法

李 璞，李春明，范知友，李 碩，張金洋

（1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.北京航空航天大學 可靠性與系統工程學院，北京 100191）

0 前言

戰場高度體系化、信息化使得武器裝備信息系統復雜度劇烈提升[1]。當前，主流裝甲車輛信息系統涵蓋武器、主動防護、行動、傳動、電氣、指控、通信等眾多分系統，包括的信息節點數超過60個；同時，新一代裝甲車輛進一步強調兵力火力信息里一體、網絡平臺傳感器深度融合、有人/無人結合、地面/控制結合、近戰/遠戰結合等特點，使新研信息系統復雜度將在當前基礎上進一步提升。

復雜的提升增加了裝甲車輛信息系統設計難度，使得傳統方法暴露諸多問題，包括無法早期驗證、維護設計一致性及可溯性困難等。新一代裝甲車輛研發對于傳統信息系統設計方法和流程提出了改進和更新的需求[2]。

Harmony SE是基于SysML語言系統工程方法論。其設計階段包括需求分析、系統功能分析及架構設計[3]。Harmony SE通過層進式的設計設計流程，推導出更加穩固的系統架構；通過系統仿真，在修改成本低廉的階段，迭代設計系統行為和屬性，降低設計成本及風險；其所使用的SysML建模語言，能夠提升設計綜合性、一致性和可追溯性，促進不同研究部門的協同工作[4]。

1 技術簡介

1.1 Harmony SE方法簡析

Harmony SE系統工程設計流程包括需求分析、系統功能分析及設計綜合三個階段，流程如圖1所示。該流程基于用例驅動，不斷階段層進式迭代完成設計[5]。

圖1 Harmony SE方法論分析流程圖

1.1.1 需求分析

需求分析階段的目的在于分析設計輸入，即涉眾需求。基于涉眾需求，推導出用戶需求和系統需求，從而明確系統的功能需求和服務質量需求。最后，通過設計系統級用例，將系統需求歸類[6]，具體的系統需求分析流程如圖2所示。

1.1.2 系統功能分析

系統功能分析階段的目的在于將系統需求轉化為系統行為。該階段分析通過分析系統級用例，設計系統級模型。通過運行模型，驗證系統需求及系統模型的正確性。具體的系統功能分析流程如圖3所示。

圖2 系統需求分析流程圖

圖3 系統功能分析流程圖

1.1.3 設計綜合

設計綜合階段的重點在于基于需求分析及系統功能分析階段的結果，開發能夠滿足功能及性能需求的物。理架構；通過聯合運行物理模塊模型，驗證物理架構的正確性。該階段包括架構分析及架構設計兩個階段。

1）架構分析

架構分析階段的目的在于分析不同特性，比較候選系統架構，從而確定最優方案。架構分析流程如圖4 所示。

2）架構設計

架構設計階段的重點在于將功能性及非功能性的需求分配到對應的系統結構。

1.2 直接應用Harmony SE系統方法論的問題

Harmony SE系統工程方法將研究粒度定為兩級，即系統級及物理部件級，分別對應系統功能設計及設計綜合兩個階段[7]。其設計邏輯清晰，目標明確。但實施中，在裝甲車輛信息系統設計中直接應用Harmony SE系統工程方法會產生兩方面不兼容問題，即：

圖4 架構分析流程圖

缺失硬件架構無法進行設計。裝甲車輛功能設計階段，系統功能及分系統功能得到明確，但無法清晰定義硬件系統組成。硬件架構的缺失將導致Harmony SE方法中設計綜合階段無法進行后續工作；

硬件交聯關系難于分析。若按照Harmony SE系統工程方法，硬件部件信息交聯復雜度為O（N2），其中N為節點數量，即部件間的分析工作量與部件個數的平方成正比。新一代裝甲車輛信息系統中包含60個以上的硬件節點，若按照Harmony SE方法分析其間交聯關系工作量巨大。

圖5 結構設計流程

為解決以上突出問題，必須結合裝甲車輛信息系統特性，對Harmony SE方法論進行適應性修改，提出適應新一代裝甲車輛信息系統設計的方法論。

2 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法流程

2.1 流程概述

基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法將裝甲車輛分為整車級、分系統級及硬件模塊級三個層次。通過兩個經過適應性修改的Harmony SE過程，對三個層次的對象分別進行分析，得出裝甲車輛信息系統的分層模型，具體的分層模型設計流程圖如圖6所示。

圖6 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計流程

2.2 任務剖面與任務流程設計

任務剖面與任務流程設計對應Harmony SE方法中的需求分析階段。該設計以作戰使用需求作為涉眾需求，推導出系統需求和使用場景，即頂級用例。通過將作戰使用過程逐步細化，推導出作戰使用具體場景，即子用例。此后根據Harmony SE中的用例需求分析方法對整車級用例進行分析及驗證。

選取裝甲車輛的打擊場景為例。通過分析作戰使用要求，初步分析頂級用例“打擊”；通過對打擊用例的逐步細化，分析出打擊用例下的具體應用場景，即子用例，其中包括直瞄打擊、間瞄打擊等；通過將子用例與乘員關聯，明確乘員在具體應用場景中的任務。最后，需求分析的結果將通過設計SysML用例視圖，如圖7所示，并作為設計結果輸入至信息頂層設計中。

圖7 SysML設計裝甲車輛打擊場景需求分析系統用例圖

2.3 信息頂層設計

信息頂層設計以系統需求作為輸入，按照Harmony SE系統工程方法中的系統功能分析及設計綜合流程，對裝甲車輛車際接口、人機接口以及分系統之間的交聯關系進行分析、設計；分別設計并運行整車級及分系統級狀態機，修改、驗證整車級及分系統級信息流。信息頂層設計成果包括系統活動圖、系統狀態圖、系統時序圖如圖8～圖10所示。該階段設計結果將作為輸入至信息系統詳細設計。

圖8 系統活動圖

圖9 系統狀態圖

圖10 系統時序圖

2.4 信息系統詳細設計

信息系統詳細設計以分系統設計為輸入，應用Harmony SE中的設計綜合階段中的架構設計流程設計硬件模塊間的交聯關系；設計并運行分系統內部各硬件模塊的狀態機，修改、驗證分系統內部硬件模塊間及硬件模塊與其他分系統間的交聯關系。該階段成果包括分系統活動圖、分系統時序圖、硬件模型等，分系統活動圖，狀態圖，時序圖如圖11～圖13所示。該階段的硬件模型作為下一階段輸入。

2.5 設計綜合

該階段按照Harmony SE中的系統集成流程，將各分系統下的硬件模型進行集成，形成整車模型。

2.6 逐層驗證，迭代設計

使用硬件模型集成后的整車模型，自底向上地逐層驗證設計結果，即：部件驗證、分系統驗證、整車驗證。

3 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法分析

3.1 基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法特點

基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法中，任務剖面與任務流程設計及信息頂層設計應用第一個Harmony SE流程，輸入為作戰使用需求，輸出為各功能分系統的需求與模型，以及分系統之間的交聯關系；信息系統詳細設計及設計綜合應用自定義的Harmony SE流程，輸入為各功能分系統的需求與模型，輸出為物理部件模型、物理部件間的交聯關系及部件模型集成后的整車模型。該中方法的特性如下：

1）邏輯清晰。該方法基于Harmony SE系統方法論，對裝甲車輛信息系統進行自頂向下式設計，不同設計階段間輸入、輸出邏輯清晰；

2）層進式設計。該流程包括剖面與任務流程設計、信息頂層設計、信息系統詳細、設計綜合及逐層驗證五個階段，對信息系統分別進行系統級、功能分系統及硬件模塊級建模及建模；

3）設計結果驗證。每個階段后對該階段設計結果進行仿真，驗證設計結果滿足功能需求；

4）自底向上逐層驗證。設計綜合階段，將硬件模型集成為整車模型。通過仿真整車模型，實現對信息系統自底向上的逐層驗證。

圖11 分系統活動圖

圖12 分系統狀態圖

3.2 解決直接應用Harmony SE系統方法論的問題

對于Harmony SE方法在實際應用中遇到的突出問題，該流程能夠有效解決：

解決“缺失硬件架構無法進行設計”問題。該流程在第一次應用Harmony SE流程中，僅分析至功能分系統級別，不涉及具體硬件部件。而相對于硬件部件，裝甲車輛的功能分系統較為固定，在系統設計初期即可確定。因而可以順利進行剖面與任務流程設計及信息頂層設計工作。而信息系統詳細設計及設計綜合階段可以在硬件組成確定后開展；

圖13 分系統時序圖

解決“硬件交聯關系難于分析”問題。第一個Harmony SE流程中，對分系統模型進行分析，從而推導出分系統內部的硬件模塊交聯關系；分系統內部硬件模塊與外部硬件模塊通過統一的分系統接口進行交聯。再通過設計綜合階段將各分系統進行集成，從而形成整車模型。該種方式下系統分析復雜度雖仍為O（N'2），但N'為分系統內部硬件數量，明顯小于整車硬件數量；另一方面，由于分系統個數相同，集成的復雜度為常量，不隨N增長。故該方法下，硬件模塊交聯設計復雜度明顯下降。

4 結束語

Harmony SE方法具有邏輯清晰、一致性強等特點，適用于復雜系統設計。但裝甲車輛信息系統設計直接應用Harmony SE方法會導致無法確定硬件架構和硬件交聯關系難于分析等兩個突出問題，在應用中要對其進行適應性修改。

本文中提出了基于Harmony SE的裝甲車輛信息系統分層模型設計方法。該方法結合裝甲車輛信息系統特性，得出不同層次的信息系統模型，層進式完成系統設計。該種方法能夠有效解決“缺失確定硬件架構無法進行設計”和“硬件交聯關系難于分析”等兩個問題，從而在有效設計系統的同時降低系統設計復雜。

參考文獻：

[1]邵健.基于MBSE的航天任務分析與設計方法[D].黑龍江:哈爾濱工業大學,2015.

[2]金圣楠.基于Harmony SE方法的坦克啟動信息系統設計[J].裝甲兵工程學員學報.2014.28(1):69-74.

[3]Hans-Peter Hoffmann. UML 2.0-Based System Engineering Using a Model-Driven Development Approach[J]. CrossTalk,2015(11): 17-22.

[4]Paul Pearce, Sanford Friedenthal. A Practical Approach For Modelling Submarine Subsystem Architecture In SysML[J]. Submarine Institute of Australia Science, Technology & Engineering Conference 2013: 347-360.

[5]Hans-Peter Hoffmann. SysML-based system engineering using a model-driven development approach[J].IBM Rational software White paper,2008,08.

[6]IBM.Systems Engineering Best Practical with the Rational Solution for System and Software Engineering[M].Hans-Peter Hoffmann, 2011.

[7]INCOSE.INCOSE System Engineering Handbook: A Guide for System Life Cycle Process and Activities[M].C.Haskins, Ed., 2010.