飛機電氣系統的MBSE設計及仿真

朱素華 閆杰

摘 ? 要：隨著民用飛機系統復雜性的提升，以及對其安全性、可靠性的要求愈發嚴格，現代系統工程正逐漸向基于模型的系統工程（MBSE）轉變，建立符合用戶需求的仿真模型可以有效地解決傳統研制方法存在的質量低、周期長和花費大等問題。電氣系統作為民用飛機的關鍵系統之一，在飛機正常飛行中發揮著重要的作用。本文考慮電氣系統的可用性、完整性，采用 DOORS 和 Rhapsody 完成電氣系統設計的需求分析、功能分析和設計綜合，建立系統用例模型、功能流程和可驗證狀態機模型，構建了保證功能可用、安全的系統架構。最后，開發了面板圖交互界面，根據設計需求完成了系統模型的仿真驗證。

關鍵詞：基于模型的系統工程 ?電氣系統 ?系統設計 ?仿真驗證

中圖分類號：V249 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0008-04

現代飛機向著更安全、環保和經濟的方向發展，這使飛機系統的設計變得越來越復雜。電氣系統（Electrical System，ES）作為現代飛機的安全關鍵系統之一，肩負飛機負載正常工作與飛行的重要任務，對其設計要求不斷提高。目前飛機系統設計中，普遍采用傳統的基于文本系統工程設計方法，以大量文字和圖片形式的文檔來描述設計思路。這些文檔通常在不同設計人員、設計部門、專業間傳遞，進行設計信息共享與協同。但是，隨著飛機系統規模和復雜程度的提高，基于文本的設計模式的劣勢也越來越明顯，存在著設計方案歧義、信息孤島和開發效率低等諸多問題[1]。基于模型的系統工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）能夠避免傳統系統工程設計的上述弊端，近年來得到了廣泛的重視和研究。

伴隨著多電飛機概念的提出和發展，對飛機電氣系統提出了新的要求。首先要有大容量、高功率密度、高效率的發電機、電機控制器、電源變換器和逆變器等發電和供電系統。其次是對于配電系統，要求能夠自動監視、控制、保護，在正常和緊急狀態下，對負載進行切換和恢復。

本文針對民用飛機電氣系統，采用Rhapsody設計軟件，利用MBSE設計思路，完成電氣系統的仿真建模，模擬系統的各種工作狀態和系統設計不同階段的電氣控制模塊，實現對電氣系統特性、控制功能及邏輯等的仿真和分析。

1 ?MBSE系統設計流程分析

在MBSE系統設計開發中，模型是設計過程的核心，并且模型在整個開發過程中不斷迭代和完善。如圖1系統總體設計流程圖所示，MBSE提供了一種有效的方法，將系統抽象為用例，圍繞用例進行開發，實施過程分為3個階段：需求分析、功能分析和設計綜合[2]。本文使用業界廣泛使用基于仿真建模平臺Rhapsody的SysML語言進行系統模型開發的需求分析、功能分析、設計綜合和仿真驗證。

需求分析的目的是將用戶需求轉化為系統需求。民用飛機系統需求主要有功能需求、安全性需求、附加適航需求和衍生需求，其中功能需求主要包括顧客需求、運行需求、性能需求、物理和安裝需求、維修性需求、接口需求等。需求分析階段主要得到電氣系統的需求模型和用例模型，用例模型主要描述外部參與者的行為以及外部參與者和內部系統用例之間的關系。與傳統方法相比，模型化結構可以快速定位需求變化，避免由需求變化引起的“蝴蝶效應”。

功能分析階段的輸入是需求分析階段輸出的用例模型，輸出為一個可執行的用例模型[3]。從以下幾個維度對用例模型進行可執行化翻譯：繪制活動圖用于描述系統功能實現流程、導出時序圖描述系統子模塊事件交互順序和創建狀態圖描述系統用例的動態行為。功能分析階段明確了頂層功能用例的大致內部邏輯以及交互行為，這一階段輸出的可執行用例模型被稱為“黑盒”用例模型。

設計綜合是為整合功能分析階段的模型元素，并設計系統架構。設計綜合分為2個階段：架構分析和架構設計。架構分析階段通過一系列的系統權衡分析，尋求最優架構設計方案。架構設計階段的重點是功能分析階段的“黑盒”用例模型逐步細化，展開為“白盒”模型，最終把用例白盒模型集成到系統架構中。

2 ?電氣系統的MBSE設計

Rhapsody是IBM公司的一款系統建模工具，它具有從系統設計到軟件設計無縫連接，自動生成模型代碼，自動按照規定的格式和要求生成設計文檔，支持系統需求管理，系統架構設計和系統模型驗證等諸多功能，滿足電氣系統建模的軟件要求。因此在本次建模設計，選擇Rhapsody作為MBSE仿真設計平臺，使用SysML語言實現ES整體模型設計[4]，本文接下來將從需求分析、功能分析和設計綜合三個階段介紹具體ES建模流程。

2.1 需求分析

ES的需求分析，主要包含需求獲取和需求到用例的分配與追溯兩個步驟。

（1）需求獲取。

ES用戶需求來源于設計師收集整理的ES功能方面要求和指標，也包含了如安全性和飛機適航等附加需求。

設計者依據電氣系統的知識，分析已整理完善的用戶需求，將其細化分解，梳理出的民機電氣系統的應該具備的功能、系統和部件，得到層次分明并且結構完整的系統功能需求。然后將用戶需求和功能需求以文本的方式錄入DOORS中，方便整理和完善。在后續的模型設計中，為了保證需求良好的追溯性，需要在DOORS中，將用戶需求文檔和系統功能需求文檔逐級逐條對應關聯。需求關聯后，在整個設計周期都可以查看系統的需求對應關系。

（2）關聯功能性需求到用例。

完成需求內部關聯后，需要以SysML用例模型的形式將需求分析結果展現。用例模型是從某一特定的功能方面對系統描述，根據功能需求分析結果，在SysML模型用例圖設置對應的功能用例，確定兩個功能用例之間以及用例和外部角色之間的關系，并將這些關系繪制在用例圖中。DOORS的需求分析結果和Rhapsody的用例模型整理完畢后，兩者還是獨立模塊，需要利用Rhapsody Gateway把ES需求分析文檔從DOORS導入Rhapsody工程中，并通過《trace》追蹤關系的方式，逐條鏈接需求文檔與功能用例，從而實現整個設計過程的需求追蹤和管理[5]。

2.2 功能分析

ES功能分析階段，即為黑盒模型階段，設計者基于前一階段的供電和配電用例分析系統功能，得到功能用例應具備的靜態架構、屬性特征和狀態變化等關鍵特性;然后基于功能用例的關鍵特性，從靜態結構和動態行為兩個方面，把每個頂層功能用例轉化成可執行模型。

（1）黑盒靜態結構模型。

黑盒靜態結構模型是對頂層用例的屬性、操作和狀態進行描述。首先根據頂層用例，定義用例模型的上下文，此時僅為初步的內部模型圖（IBD），部件無端口。再創建用例之間以及用例與外部參與者之間的事件和數據接口。根據控制邏輯和事件發送，完成部件的互相連接，即構成用例靜態模型。供電模塊主要負責飛機的電源供應工作。飛機檢查飛機發電機的狀態，接收來自駕駛員（Pilot）的控制指令;通過液壓模塊（Hydraulic）進行發動機啟動控制;接收顯示系統（Display）顯示關鍵部件的狀態信息，進行飛機供電設備的調整，更改供電模式，保證飛機負載的正常供配電與工作。

（2）黑盒動態行為模型。

黑盒動態行為建模，即建立SysML活動圖，時序圖和狀態圖，從系統的活動流程和狀態行為兩方面對ES進行詳細的描述。以供電系統為例，首先根據黑盒靜態結構的操作屬性，定義供電用例具體功能流，得到供電用例活動圖，再根據活動圖的事件交互導出序列圖描述的用例場景。最后以事件驅動，從狀態行為的維度描述供電用例部件的具體狀態變化。以上的內部模塊圖，活動圖時序圖和狀態圖共同組成了ES供電用例的可執行模型。

2.3 設計綜合

功能分析階段的黑盒模型，完成了ES頂層架構的分析設計。設計綜合需要以黑盒模型為基礎，把頂層功能用例細化分解成子系統/部件進行權衡分析，定義具體功能部件，并分配相應的系統功能性需求到系統子部件，設計各子系統的操作，狀態行為，以及子系統內部與系統外部的交互關系，此階段即為白盒階段。

設計綜合階段實際上是針對每個子用例詳細設計，將黑盒視圖細化展開為白盒視圖。該階段具體實現流程與前一階段十分類似，本小節依然按照靜態結構和動態行為兩個維度對設計綜合階段產出的模型進行介紹。

（1）白盒靜態結構模型。

在功能分析階段中，已經將ES的頂層架構劃分為兩個功能用例（供電、配電功能用例），而在ES設計綜合階段，需要逐個針對頂層功能系統進行細分，并按照邏輯設計其與頂層系統或子部件的關系。與黑盒靜態模型相比，將頂層供電用例細分為主電源（Main Power Supply）、輔助電源（APU）、緊急供電部件（Emergency Power Supply）、蓄電池供電系統（Battery Supply）和重要供電模塊（Essential Power Supply）5個子部件，如圖2所示。由圖2可知子部件之間有著復雜的交互關系，而且供電系統與外部參與者之間的交互關系連接到了具體的供電部件。

（2）白盒動態行為模型。

白盒動態行為模型依舊從活動圖，時序圖和狀態圖三個維度進行描述。如圖3供電用例白盒活動圖所示，利用泳道將供電用例的操作劃分到各子部件中，每個泳道內的活動流與分解的子部件相對應。由白盒泳道活動圖可以導出供電白盒時序圖，定義供電子部件數據端口，描述事件交互順序的用例場景。供電白盒狀態圖不同于黑盒視角，需要對每個供電子用例，分別建立其狀態圖用以描述其狀態行為，而且不同狀態圖之間需要通過事件和參數的變化完成整個供電功能的實現。采用上述方法實現所有功能用例之后，應該整合整個系統模型，得到完整的民機電氣系統架構。

3 ?系統可視化仿真驗證

在完成電氣系統建模后，還需要驗證ES模型的功能、邏輯、行為是否滿足設計要求。在設計仿真驗證時，采用Rhapsody自帶的面板圖功能，設計交互界面，通過界面按鈕快速地向模型發送事件，同時通過界面顯示燈接收模型反饋的數據并進行實時顯示，從而使設計者準確及時地獲得模型的狀態信息，便于驗證ES模型的邏輯架構。下面以緊急供電為例介紹介紹。

當LVFG、RVFG、APU均無法正常供電時，進入緊急供電模式，顯示界面的配電負載，只有關鍵的直流負載繼續供電，一般交流負載都停止工作，降低飛機電耗，保證關鍵設備的電能充足。圖4為RAT緊急供電交互界面，此時RAT系統仍對蓄電池發出供電指令，重要供電模塊的飛控系統參數開始重復變化，在顯示界面發送警報指令，提醒駕駛員。而在RAT故障或空速沒達到要求時，RAT失效，RAT子系統發送緊急信號給蓄電池系統，蓄電池開始放電，為飛機關鍵設備供電，此時重要供電系統檢測到系統電流通道狀態發生變化，交互界面的供電類型變為緊急供電。

本文只針對民機電氣系統的供電系統進行了詳細的介紹，首先配電系統的整體設計方案與供電模塊一致，而且配電系統模塊內部的交互信息和狀態變化，均可由可視化界面仿真驗證其設計效果。

4 ?結語

電氣系統作為民機機電系統的重要組成部分，而采用基于文本的系統工程設計民機電氣系統存在質量低、周期長和花費大等諸多缺陷，因此研究電氣系統的MBSE設計對實現飛機全機系統模型化設計具有重要意義。在此背景下，本文基于Rhapsody仿真平臺采用SysML建模語言，結合電氣系統物理架構，建立了完整的電氣系統的模型設計及仿真驗證方案，開發民機電氣系統仿真模型，制定適用的仿真建模規范，希望能為之后的飛機復雜系統的模型設計研發提供有效的參考依據。

參考文獻

[1] 王崑聲，袁建華，陳紅濤，等.國外基于模型的系統工程方法研究與實踐[J].中國航天，2012（11）：52-57.

[2] 吳穎，劉俊堂，鄭黨黨.基于模型的系統工程技術探析[J].航空科學技術，2015，26（9）：69-73.

[3] 劉興華.飛行控制系統數字化設計技術研究[D].南京航空航天大學，2011.

[4] 劉宇，金鑫.基于Rhapsody的綜合航電火控系統圖形化設計研究[J].電光與控制，2019，26（3）：89-96.

[5] 張紹杰，李正強，海曉航，等.基于MBSE的民用飛機安全關鍵系統設計[J].中國科學：技術科學，2018，48（3）：299-311.