基于模型的載人航天工程需求分析方法

彭祺擘, 張海聯

(1. 中國航天員科研訓練中心, 北京 100094; 2. 中國載人航天工程辦公室, 北京 100071)

0 引 言

載人航天任務規模龐大、實施周期長、任務風險高,其實施需經歷需求分析、系統設計、制造總裝、測試試驗、發射保障以及運行支持等多個階段,且涉及總體、系統、分系統、單機等多個層次,信息交互量巨大,是一項復雜的系統工程。因此,探索形成高效的設計方法和規范化的設計流程,對提升設計效率和設計質量、降低設計成本、縮短任務周期至關重要。

傳統的系統工程主要依賴于文本開展迭代設計,設計過程中的指標、分析、方案等均使用文字和圖表來描述,從而導致工程文檔繁多,設計狀態變更和迭代流程長、環節多,且對于文字描述不同設計人員的理解不同,復用性較差。特別是在空間站、載人登月、載人登火、載人小行星探測等龐大而復雜的載人航天工程中,傳統的設計方法效率低、風險大,更加難以適應工程需求。

隨著面向對象、結構化、圖形化、可視化的系統建模語言(system modeling language, SysML)的發展,一種基于模型的系統工程(model-based systems engineering, MBSE)方法逐漸得到了廣泛應用。該方法使用表述規范、關聯緊密、邏輯一致的系統模型來描述系統工程的分析思路與結論,在設計過程中利用模型代替了傳統的文本來傳遞設計信息,從而實現了基于模型驅動的數字化研制流程再造,避免了信息傳遞的二義性,改變了嚴重依賴文本、經驗的粗放管理模式,能夠大幅提升復雜工程的總體設計能力和設計效率。

該方法在國內航空領域得到了廣泛應用,但在航天特別是載人航天領域,尚處于起步階段,近幾年部分學者開展了一定程度的研究。張有山等[1]研究了MBSE方法在載人飛船交會對接任務中的應用流程。張柏楠等[2]對基于MBSE的載人航天器研制方法研究與實踐進行了綜述,提出了應用于載人航天全生命周期的6類模型。何巍等[3]對基于模型的運載火箭總體設計框架和設計方法進行了研究。盧志昂等[4]提出了基于模型的衛星總體設計方法與流程。于國斌[5]研究了基于MBSE方法開展深空探測任務協同的方法與框架,提出了支持深空探測任務協同的“4個閉環迭代”流程方法。焦洪臣等[6]提出了基于模型的航天器研制流程和適應航天器研制過程需要的6類模型體系。黃冉等[7]將美國國防部體系框架(department of defense architecture framewor, DoDAF)引入設計,提出了適用于載人月球探測工程的總體設計流程和方法。除此之外,文獻[8-9]也對基于模型的飛行器研制進行了系統的探索。這些研究為利用MBSE方法開展載人航天任務設計提供了豐富的經驗。

載人航天工程一直以來都采用了系統工程的思想。近年來,隨著數字化工作的推進,模型在研制過程中發揮了更加重要的作用,但在任務前端的需求層面,仍以文檔的形式傳遞。本文結合載人航天工程的特點,提出了工程總體和各系統基于模型開展載人航天任務需求分析的初步工作方法和流程,目的是在任務方案論證與方案設計階段,通過規范基于模型的需求分析與系統設計工作,確保需求覆蓋全面、設計嚴密精準、建模質量可控,為后續開發覆蓋全任務周期的數字化設計和技術管理流程奠定基礎。

1 MBSE方法概述

國際系統工程協會(International Council on Systems Engineering, INCOSE)定義,MBSE是建模方法的形式化應用,用于支持系統從概念設計階段一直持續到開發階段和后續生命周期階段的需求、設計、分析、驗證和確認活動,并將整個任務周期分為了業務或任務分析、利益攸關者需求定義、系統需求定義、架構定義、設計定義、系統分析、實施、綜合、驗證、轉移、確認、運行、維護、處置等14個流程[10]。INCOSE提出了一個普遍的操作流程,實際執行過程中,各行業一般會結合自身任務特點,進行裁剪或修改使用,形成更高效的方法論。例如,針對某生物分析設備的研發,文獻[11]提出了問題定義、上下文定義、技術需求定義、邏輯層定義、物理層定義的步驟。針對飛行控制系統的研制,文獻[12]提出了運營分析、系統分析、邏輯架構設計、物理架構設計的步驟。文獻[13-15]針對可靠性領域,提出了與正常系統設計并行的MBSE方法論。類似結合領域特點,改進MBSE方法論進行研制的案例還有很多,可參見文獻[16-20]。

MBSE方法從始至終實際都是在迭代需求和實現需求,因此在開始階段進行的需求分析至關重要。雖然后續隨著設計的深入,需求在不斷變更,但設計初期梳理提出需求,是決定整個任務基本方案最為關鍵的環節。

INCOSE將這一過程分解為業務或任務分析、利益攸關者需求定義、系統需求定義等步驟,與之類似,達索的MagicGraid方法論將需求分析放在問題域中,逐層捕獲[21]。這一過程在火災衛星和立方衛星的設計中均有體現[22-23]。其給出的方法和過程雖然具有普適性,但與載人航天工程結合并不緊密。載人航天工程涉及多個復雜系統,其需求分析是從頂端的任務層出發,需要得到與各系統相關的需求模型。本文重點是在通用流程的基礎上,結合載人航天工程特點,提出更加適合于工程的專屬需求分析方法。與已有方法論不同的是,本文從任務、能力、系統3個維度進行需求分析,更能有效對頂層需求進行分解,指導系統設計。

2 術語定義

為更好地描述需求分析的方法,首先進行如下術語的定義。

2.1 基本概念

(1) 利益攸關方

在一項任務或一個系統中有權力、份額,或者要求滿足其需要或期望的一方。

(2) 場景

系統、產品的預期使用范圍和預期運行環境,以及與其相關系統或產品之間的交互關系。在載人航天飛行方案中明確的某個任務剖面或任務階段即為一個獨立的場景。

(3) 系統

為達到任務中一個或多個目標而組織起來的、相互作用的元素的組合體。

2.2 需求

標識一個產品或系統的運行、功能、性能、設計特性或約束的一種陳述,該陳述必須是明確的、可測試的或可測量的。本文將載人航天的需求分為3類,分別為任務需求、能力需求和系統需求,以美國阿波羅載人登月任務為例。

(1) 任務需求

實現任務目標和滿足各級利益攸關方的頂層需求,常使用自然語言描述。例如:某年前實現載人登月、有多位航天員著陸月球表面、月面停留時間不少于多少天等。

(2) 能力需求

為實現任務目標和滿足任務需求需要具備的能力,通過全任務過程場景設計、并經權衡分析后推導派生得出,常使用自然語言描述。例如:載人運載火箭具備將載人飛船送入預定地月轉移軌道的能力、載人飛船具備地月轉移和月地轉移的能力等。

(3) 系統需求

為滿足任務需求和能力需求,通過開展詳細系統設計,導出的系統功能、性能、接口等派生需求,常使用自然語言和定量化指標描述。例如:火箭地月轉移軌道運載能力要求、航天員人均活動空間的要求等。

2.3 模型

在開展需求分析過程中,定義如下四類模型。

(1) 需求模型

描述需求內容和支持需求管理的模型,包括條目化的需求數據庫、需求圖、需求追溯矩陣,建模方法采用SysML建模。

(2) 功能模型

描述系統結構、行為、功能性能與設計約束特性的模型,包含支持系統任務邏輯流程仿真的邏輯模型和支持系統功能性能多學科綜合仿真的物理模型,建模方法包括基于SysML的架構、行為和系統參數分析建模,以及基于C、Matlab、Modelica等語言的多學科建模。

(3) 產品模型

描述產品結構機構、電氣系統和軟件詳細設計的模型,建模方法以三維計算機輔助設計技術、電子設計自動化技術等為主。

(4) 工程模型

描述產品專業特性,用于工程專業分析和仿真的詳細模型,建模方法一般采用專業計算機輔助工程等軟件建模。

3 需求分析流程

工程總體和系統總體基于MBSE的需求分析流程分為任務需求建模、能力需求建模、系統架構建模、系統需求建模、仿真分析與驗證、需求發布6個基本步驟,如圖1所示。建模過程中,各系統可結合自身實際,對該流程裁剪或作適應性修改后使用,分系統結合系統總體要求可參照該流程執行,建模過程使用SysML[24]。

圖1 載人航天需求分析與系統設計流程

3.1 任務需求建模

(1) 目的

全面收集并記錄任務實施中各利益攸關方的需要和期望,并將任務目標及相關需要轉化為明確、可標識的任務需求模型元素,以便后續任務分析、系統設計過程中快速查詢、提取和追溯。

(2) 輸入

頂層下達任務(通常為文本或正式場合下提出的和任務相關的指示要求)。

(3) 輸出

任務需求模型(包括任務目標、利益攸關方需求、任務背景或運營環境條件等)。

(4) 建模步驟

建模過程分為5個步驟,如圖2所示。

圖2 任務需求分析與建模流程

步驟 1任務需求模型組織:建立“任務需求”包結構。

步驟 2識別利益攸關方:以上級下達的任務目標為輸入,識別系統邊界和外部參與者,使用用例(use case, uc)圖呈現任務涉及的利益攸關方,用actor元素表示具體利益攸關方,用generalization元素構建利益攸關方之間的關聯關系。

步驟 3提取利益攸關方需求:根據已識別的利益攸關方需要、期望和能夠明確的約束條件形成條目化任務需求,并使用requirement元素承載,這些requirement元素均應集中指向任務的目標或與實現任務目標直接相關的行為,使用dependency關系建立利益攸關方與任務需求的關聯。

步驟 4構建任務背景或運行環境:建立模塊定義圖(block definition diagram, BDD),用block元素抽象可能的任務運行環境或背景,并將可識別的運行環境條件(如自然環境、已有的技術條件、管理體系和可用的資源等)添加為任務背景block的組成部分(block元素和directed composition元素),為后續開展系統架構設計或系統需求分析提供需求分配對象和追溯源頭。

步驟 5任務需求復核:對建立的任務需求模型、任務背景或運行環境進行復核,如出現不明確的、缺失的任務需求或約束,應重復步驟2～步驟4,直至任務需求、任務背景及其描述通過審核。

3.2 能力需求建模

(1) 目的

通過開展覆蓋全任務周期的運行場景分析,推導出為實現任務目標和滿足任務需求所需具備的能力,并將能力轉化為明確可標識的能力需求模型元素,以便后續系統分析、系統設計和驗證過程中快速查詢、提取和追溯。

(2) 輸入

任務需求模型。

(3) 輸出

能力需求模型(為滿足任務要求應具備的能力,形成條目化能力需求)、任務場景(任務剖面)。

(4) 建模步驟

其建模過程分為4個步驟,如圖3所示。

圖3 能力需求分析與建模流程

步驟 1能力需求模型組織:建立“能力需求”包結構。

步驟 2建立初步任務運行場景:根據任務需求設計任務基本方案,建立初步任務運行場景,并使用uc圖呈現任務運行場景。用use-case元素具體表示任務總體運行場景、以及覆蓋任務全周期的任務階段(use-case命名應指向為滿足任務需求而開展的某種活動),并在總體運行場景和任務階段間建立include關系,在任務階段use-case間建立association關系,呈現任務階段的邏輯順序,必要時可根據設計要求利用活動(act)圖對某個場景進行展開和細化。

步驟 3推導能力需求:在建立初步任務運行場景、定義任務各階段行為特征的基礎上,識別出與行為特征相對應的能力需求,并建立條目化需求模型,使用requirement元素承載。

步驟 4能力需求復核:依據任務運行場景,對推導出的能力需求進行復核,確保每個任務階段均有相應的能力需求與之對應。如出現不明確的、缺失的能力需求,應重復步驟2和步驟3,直至能力需求模型通過審核,并建立能力需求與任務階段間的dependency關系。

3.3 系統架構建模

(1) 目的

結合任務需求和能力需求分析,確定初步系統架構(可將現有工程技術體系中的大系統組成作為系統架構設計的參照),經過備選任務方案比較權衡確定工程系統組成,為系統需求分析提供輸入。

(2) 輸入

任務需求模型、能力需求模型。

(3) 輸出

任務系統架構(系統組成)。

(4) 建模步驟

其建模過程分為3個步驟,如圖4所示。

步驟 1系統架構模型組織:建立“系統架構”包結構。

步驟 2備選任務方案比較權衡:以初步任務運行場景為輸入,定義任務方案評價準則,組織相關領域專家進行專項分析和綜合評價。

步驟 3確定系統架構:通過方案權衡,確定載人月球探測任務系統組成,并使用BDD呈現系統架構,用block元素具體表示工程相關系統,用directed composition元素按照層級關系連接系統架構與組成系統。

3.4 系統需求建模

(1) 目的

結合任務初步方案開展系統設計,細化任務剖面,推導出各任務剖面關鍵功能活動,將關鍵功能活動分配到系統架構中的相關系統,通過關鍵功能活動引出相關系統需求,并轉化為明確、可標識的系統需求模型元素,以便后續各系統/分系統分析、設計和驗證過程中快速查詢、提取和追溯。

(2) 輸入

任務需求模型、能力需求模型、任務場景、任務系統架構。

(3) 輸出

系統需求模型(各系統/分系統功能、性能要求)、功能模型(支持任務邏輯流程仿真的邏輯模型)。

(4) 建模步驟

其建模過程分為6個步驟,如圖5所示。

圖5 系統需求分析建模流程

步驟 1系統需求模型組織:建立“系統需求”包結構。

步驟 2細化任務運行場景:以初步任務運行場景為主線和輸入,進一步細化飛行方案或飛行任務剖面,使用act圖呈現細化后的飛行方案或任務場景,用call behavior action元素表示場景中的飛行任務階段,用control flow,merge node等元素建立飛行任務階段之間的邏輯順序。

步驟 3細化飛行任務階段:進一步分析每個飛行階段需開展的關鍵功能活動,使用戶act圖呈現細化后的飛行任務事件(可根據實際建模需要配合使用狀態機圖),用call behavior action元素表示該任務階段的關鍵功能活動,用control flow,merge node等元素建立關鍵功能活動之間的邏輯順序。

步驟 4關鍵功能活動分配至系統架構:在細化后的飛行任務階段活動圖中建立泳道分區,將系統架構中建立的相關系統block作為各泳道分區的主體和功能活動分配對象,按照功能活動的隸屬關系,將步驟3中識別的關鍵功能活動分配到相應系統的泳道分區中,并進一步識別和建立系統間、系統內部關鍵的對象流(信號、數據、能量等)傳遞關系。通過多次迭代步驟2～步驟4,建立可用于支持系統任務邏輯流程仿真的功能模型。

步驟 5推導系統需求:在完成關鍵功能活動分配基礎上,根據關鍵功能的行為特性識別相關的功能需求、性能需求,并建立由requirement元素承載的條目化需求。系統需求中的關鍵指標,須通過仿真、試驗或論證分析后方可確定。

步驟 5.1推導關鍵功能事件相關的系統需求:根據關鍵功能活動開展系統功能分析(活動圖、狀態機圖),進而捕獲對相關系統的功能需求、性能需求,并構建關鍵功能活動與功能需求、性能需求的refine關系。

步驟 5.2推導通用性系統需求:針對醫學、工效學、六性等通用性需求,在步驟5.1基礎上,建立初步評估準則,開展相關仿真或試驗分析,根據分析結果利用“MoE(measurements of effectiveness)”block的值屬性捕獲相關需求,例如可靠性、安全性指標等,“MoE”block作為承載相關系統設計輸入的模型元素。

步驟 6關鍵功能活動及系統需求復核:依據關鍵功能和系統需求分配情況,對步驟5推導出的系統需求進行復核,確保每項系統需求都至少有一個call behavior action關鍵功能活動與之關聯。如出現系統需求不明確或缺失,應重復步驟2～步驟5建模步驟。

3.5 仿真分析與驗證

(1) 目的

工程總體及各系統基于功能模型完成總體方案、飛行方案、故障對策的任務邏輯流程仿真和方案物理閉環仿真;工程各系統基于功能模型、產品模型實現系統間接口協調和匹配性驗證,基于工程模型完成結構、力、熱、電磁等專業分析與仿真,從而驗證方案的有效性和可行性,完成系統功能和系統需求的驗證評估。

(2) 輸入

功能模型、產品模型、工程模型。

(3) 輸出

仿真與分析結果(反饋至第3.4節的系統需求)。

(4) 實施步驟

仿真驗證分為3個步驟,如圖6所示。

步驟 1邏輯流程仿真驗證:利用系統需求分析過程中建立的系統行為模型(活動圖、狀態機圖、時序圖等),開展任務邏輯流程仿真,驗證飛行時序及系統間交互關系的協調性、功能設計的正確性、故障對策的有效性、以及需求對功能活動的覆蓋性,并根據分析結果決策是否需迭代第3.3～3.5節的工作步驟。

步驟 2關鍵需求指標仿真分析與驗證:針對系統需求建模中提出的關鍵性能需求,利用BDD、參數(parametric, par)圖及調用外部分析計算工具(Matlab、STK、Modelica等),建立相關仿真分析模型,對關鍵性能需求與設計約束開展關聯仿真分析,驗證需求與約束的匹配性,并根據分析結果決策是否需迭代第3.3～3.5節的工作步驟。

步驟 3系統閉環仿真驗證:以飛行任務剖面為索引,建立支持系統功能性能等多學科綜合仿真的功能模型,開展系統閉環仿真,驗證總體方案的正確性、性能指標分配的合理性、系統間接口的匹配性,并根據仿真驗證結果決策是否需迭代第3.3～3.5節的工作步驟。該仿真可基于SysML邏輯流程推演,也可搭建專門的仿真平臺開展。

3.6 需求發布

(1) 目的

通過需求管理工具對任務需求模型、能力需求模型、系統需求模型中的條目化需求進行狀態固化,將經過確認的條目化需求模型、全周期任務運行場景、需求文檔發布至各系統。

(2) 輸入

任務需求模型、能力需求模型、系統需求模型。

(3) 輸出

需求文檔和條目化需求模型。

(4) 發布步驟

其過程分為5個步驟,如圖7所示。

步驟 1需求匯總模型組織:建立“需求匯總”包結構。

步驟 2生成需求數據表:建立需求匯總表,將任務需求模型、能力需求模型、系統需求模型匯總。

步驟 3建立需求依賴矩陣:建立上下級需求之間、需求與活動之間的關聯關系,為開展需求覆蓋性、追溯性分析提供依據。

步驟 3.1建立上下級需求依賴矩陣:建立需求關系矩陣,關聯任務需求與能力需求、能力需求與系統需求,在上下級需求之間建立“依賴”關系。

步驟 3.2需求與活動之間的依賴矩陣:建立需求關系矩陣,關聯能力需求與飛行任務階段用例(use case元素),關聯系統需求與關鍵功能活動,在不同層級需求與用例、活動之間建立“精化”關系。

步驟 4需求條目導出:將需求表中的需求數據導出至需求管理工具中。

步驟 5需求發布:將經過確認的條目化需求模型、全周期任務運行場景、需求文檔發布至相關系統。

4 應用實例

載人登月是目前最為復雜的工程之一[25-26]。2019年,美國副總統彭斯宣布2024年左右將重返月球,并建立環月空間站,將該計劃命名為“阿爾特彌斯”[27-30]。雖然這一計劃目前有可能推遲,但載人登月任務是未來載人航天的熱點方向,其難度遠大于近地載人航天任務。本文按照上述任務流程,以美國“阿爾特彌斯”計劃為應用實例,利用CATIA Magic軟件,開展載人登月任務工程總體層面的需求分析。

(1) 任務需求建模

識別實現載人登月任務的利益攸關方,包括國家層面、主管部門、研制單位等任務需求模型示意圖如圖8所示。“阿爾特彌斯”計劃在任務層的需求包括了宏觀的目標,例如實現任務的時間、方式、總體要求等,由此可獲得條目化的需求模型,如圖9所示,便于需求的管理和發布。

圖8 阿爾忒彌斯任務需求分析

圖9 阿爾忒彌斯任務需求條目

(2) 能力需求建模

以任務需求為輸入,結合初步設計的載人登月場景,分析各個系統需要具備的能力,并將其轉化為相關的能力需求條目。如圖10所示,根據載人登月所需要具備的飛行場景,需要所設計的系統也具備完成例如發射測試、發射入軌、地月轉移等的能力。同時,得到能力需求條目。

圖10 阿爾忒彌斯能力需求分析

(3) 系統架構建模

以能力需求為輸入,推導需要支撐這些能力所需要的系統的基本架構。例如,要具備發射入軌能力,需要發射場、運載火箭及載荷(飛船或登月器)的參與;若需具備月面活動能力,則在完成將飛船送入還月軌道的同時,還需要登月器、測控通信、宇航員的參與;若需具備返回地球的能力,需要月面上升器、載人飛船、測控通信、著陸場的參與。通過分析能力需求,可得到要完成“阿爾特彌斯”載人登月所需的系統,如圖11所示。該系統架構的組成與“阿爾特彌斯”任務背景,包括頂層的利益攸關方、空間環境等要素息息相關,在詳細設計時都需要進行考慮。這里推導出的系統架構與美國航空航天局在其報告中[27]所提出的“阿爾特彌斯”任務需要詳細設計的系統是基本一致的。另外,在進行設計分析的過程中,可能會得到不同的方案,此時需要結合其他信息(例如專家經驗),或是對比分析進行確定。

圖11 阿爾忒彌斯總體系統架構

(4) 系統需求建模

以系統架構和系統需求模型為輸入,需要將系統需求進行進一步詳細分解。首先,需要結合系統架構,將飛行場景進行細化。用活動圖將飛行場景細化成關鍵功能或子場景,并通過泳道圖分配給相關的子系統。如圖12所示,將近地軌道停泊的飛行場景用活動圖進行了詳細分解。以詳細設計得到的飛行子場景或關鍵功能為輸入,將能力需求進一步分解為系統需求,并用refine建立與子場景或關鍵功能的關系。在后續設計中,子飛行階段或關鍵功能就需要滿足與之相關的系統需求。

圖12 阿爾忒彌斯系統需求分析

(5) 仿真驗證

以圖12所示的活動圖為主,開展邏輯流程仿真,驗證飛行場景在邏輯流程上的正確性。在此過程中,對與之相關的需求或關鍵指標還需要建立專門的仿真場景,進行檢驗。

(6) 需求發布

經過驗證后,工程總體可以將需求發布到對應的分系統,進行后續設計。如圖13所示,將分析驗證后的有關于飛船系統的需求條目模型利用需求件進行管理和發布。

至此,便完成了工程總體對任務需求的分析和總體架構的設計。各系統在獲得發布的需求條目和系統總體架構后,即可以此開展詳細系統設計,逐項滿足每一條需求。最終還需要向主管部門匯總需求的驗證情況,從而檢驗各系統的設計是否符合要求。

5 結 論

規范化的分析流程是工程領域開展高效設計分析的基礎。為了規范載人航天領域基于模型的需求分析與系統設計工作,本文提出了開展載人航天任務需求分析的初步工作方法和流程論。將工程總體和各系統的需求分析分為了6個步驟:任務需求分析、能力需求分析、系統架構設計、系統需求分析、仿真驗證、需求發布,并且規定了其中每個步驟所使用的SysML視圖和建模方法。本文以美國阿爾特彌斯任務為背景,驗證了所提出的分析流程,最終獲得了分系統所需要的需求條目,為其開展詳細設計提供依據。所提方法為后續開發覆蓋載人航天全任務周期的數字化設計、技術管理流程奠定了基礎。