立足航天、面向工業、服務行業基于模型的系統工程及MWORKS實踐聶蘭順教授2024年11月08日立足航天、面向工業、服務行業系統架構定義與可行性論證聶蘭順教授2024年11月08日概述系統架構定義與可行性論證階段主要負責系統設計工作，定義系統具體的功能設計、組成結構、接口形式、參數定義以及分系統的基本選型、功能定義與技術指標等內容，明確系統各項任務場景的具體實現過程，以及系統整體的實現方式；該階段包括系統架構設計、分系統方案設計、可行性驗證三個部分，前兩部分內容分別針對系統、分系統層面開展方案設計，可行性驗證部分則是對系統架構設計將進行初步的評估，確認其是否能夠完整地覆蓋了系統需求。系統架構定義系統架構是系統工程的基石，是對系統整體結構和行為的抽象表示；承接使命任務定義與需求分析階段產生的各類模型，開展系統功能、運行邏輯、功能接口關系的細化建模，根據需求分析過程形成的系統概念設計，定義系統架構、組成、接口關系以及功能和設計參數，進一步擴展完成分系統組成定義，建立各個分系統功能交互響應的白盒功能分析模型，形成分系統的功能、接口和參數要求；系統架構定義首先需要進行系統邊界定義，然后進行功能建模和架構建模，還需要進行系統接口設計。系統架構定義功能建模包括系統功能識別、功能接口定義和需求與功能關聯系統功能識別基于之前定義的任務場景和需求模型，通過各類行為圖建立任務場景的具體執行過程，根據系統組成的初步定義，將其表達為多個分系統功能交互響應的白盒模型，從而識別系統需要執行的功能。這些功能可以通過與利益相關方的討論和需求分析得到，通過白盒模型可以將高級功能分解為更小、更具體的子功能，從而更好地理解系統的層次結構和功能間的關系。功能接口定義根據白盒模型行為圖中各分系統功能之間的交互關系，定義不同功能之間的接口，包括輸入、輸出和相互作用等，確保這些接口在整個系統中保持一致性。注意，功能接口是抽象接口，在實際系統中并不存在。需求與功能關聯將系統需求條目與功能條目顯性關聯，確保每個功能都可以追蹤到系統需求，以驗證系統是否滿足所有的設計規范和性能標準，并進一步確認系統需求是否全部被覆蓋及可追溯。功能建模系統架構定義以某深空探測工程系統為例，對功能建模部分進行說明系統功能識別活動圖可以用來表示一個系統或過程中的活動和操作?；顒訄D通常用于說明一個用例中包含的步驟以及各個步驟之間的順序關系。通過活動圖，可以更好地理解用例所描述的業務流程；狀態機圖可以用來表示一個對象的狀態以及在這些狀態之間的轉換。通過狀態機圖，可以更好地理解用例中所描述的系統或對象的狀態變化規律；序列圖可以用來表示一個系統或對象中的不同對象之間的交互。序列圖通常用于說明一個用例中包含的步驟以及各個步驟涉及對象之間的相互作用及數據交互。通過序列圖，可以更好地理解用例中所描述的業務流程中各個對象之間的交互關系。功能建模系統架構定義以某深空探測工程系統為例，對功能建模部分進行說明系統功能識別上述三類行為圖均可以描述系統功能，以數據采集與傳輸為例進行說明。生命線：測控與回收系統、探測器系統、火星。數據交互過程：測控與回收系統發出采集數據指令給探測器系統，探測器系統收到采集數據指令，開始采集火星相關數據，經過數據存儲與處理后，將采集的數據傳輸給測控與回收系統。功能建模系統架構定義功能接口定義識別功能接口是通過分析系統中不同功能模塊之間的聯系和作用來確定各模塊之間的接口，這個過程需要深入理解系統的業務邏輯和技術實現，并對功能進行全面的分析和評估，對系統的設計和管理具有關鍵作用。以發射與部署活動圖為例，通過分析不同活動之間的數據、信號、能量傳遞過程；準確識別功能接口，能夠更好地把握系統中各組件之間的聯系和作用，為后續的系統設計和開發提供參考依據。系統架構定義需求與功能關聯通過需求與功能關聯可以追蹤功能到需求。系統架構定義需求與功能關聯需求與功能關聯為需求追溯提供了基礎。通過建立關聯關系，開發團隊可以追蹤每個需求對應的功能實現，同時也能夠反向追溯每個功能所涉及的需求，通過需求追溯矩陣可以清楚地了解每個需求是否已經與相應的功能對應起來，以及是否已經分解或實現。需求追溯矩陣為需求變更管理提供了基礎。系統架構定義架構建模架構建模涉及系統內部組件之間的關系與連接，包括物理和邏輯方面。架構建模涉及系統組成定義、參數定義、系統內部接口定義等。系統組成定義系統組成定義需要確定構成系統的各個分系統，可能包括硬件、軟件、傳感器、執行器等。參數定義參數定義需要明確定義分系統或系統的參數，包括典型特征、基本參數、性能指標等，并確保這些參數符合系統的設計要求。系統內部接口定義系統內部接口定義描述系統內部分系統之間的連接關系。系統架構定義架構建模以某深空探測工程系統為例，對架構建模部分進行簡要描述系統組成定義基于黑盒用例分析發射與部署、軌道控制與導航、儀器操作與控制、數據采集與輸出等功能實現所需的實際物理系統，識別其系統組成，包括發射場系統、運載火箭系統、探測器系統、測控與回收系統及地面應用系統五大分系統參數定義通過分析功能和需求，初步定義各分系統的參數系統內部接口定義通過分析不同組件之間的交互關系，初步定義各分系統之間的連接關系系統架構定義系統接口設計在系統工程中，系統接口設計是確保不同組件、分系統或系統之間有效通信和協作的關鍵環節。良好設計的系統接口能夠提高系統的可維護性、可擴展性以及整體的集成水平系統接口設計是系統工程的橋梁，連接著系統內外部的各個組件系統接口設計直接關系到系統的模塊化和可維護性系統接口設計有助于實現跨團隊協作系統接口設計在系統工程的不同階段都發揮著關鍵的作用在MBSE方法中，接口的建模和分析成為關鍵任務。通過MBSE工具，系統工程師可以創建直觀的接口模型，以圖形化的方式表示系統內外部組件之間的交互關系，進一步提高設計的可視性和可理解性。系統架構定義通過分析系統的結構和功能，確定需要定義接口的組件有助于明確系統中各個組件之間的關系和依賴程度通過識別每個組件的輸入和輸出需求，可以定義適當的接口來實現組件之間的交互和通信。完成功能和數據流分析后，通過功能分配，將功能與分系統組件進行匹配。將所有的功能邏輯接口進行提煉，得到不同的系統接口并定義其屬性分系統方案設計在系統工程中，分系統方案設計是將整個系統劃分為相對獨立的分系統或模塊的過程，旨在實現系統的模塊化和可維護性；分系統方案設計的目標在于將整個系統劃分為相互獨立、功能明確的分系統，每個分系統負責特定的任務或功能。將系統劃分為獨立的分系統，可以提高系統的模塊化程度，每個分系統都能夠獨立開發、測試和維護；在進行分系統方案設計時，遵循一系列指導原則對確保設計的健壯性和可維護性至關重要，包括模塊化設計、最小化耦合、最大化內聚和接口明確原則；在上述指導原則的基礎上，MWORKS.Sysbuilder提供了專門針對分系統設計的專項設計模塊，將分系統、組件的功能定義為專門的功能模塊，提供專用的模板化選型、分系統參數定義、技術指標的快速計算驗證功能。分系統方案設計概述分系統方案設計分系統方案設計流程如圖所示，具體功能如下分系統選型支持專項功能的選型，如推進功能專項設計中的發動機選型、貯箱選型，能源專項設計中的太陽翼帆板選型、電池選型等。分系統參數設計支持專項功能的參數設計，根據功能分析中定義的指標，確定參數值。也可自由調整專項功能的輸入、輸出參數。分系統原理設計對重點功能，以MWORKS.Sysplorer的系統建模仿真求解內核為支撐，支持專項原理設計，提供通用的原理建模功能。分系統指標計算以內嵌的Modelica模型為資源，通過設計的參數值驅動仿真運行，利用仿真結果計算分系統指標，驗證分系統需求的實現情況。分系統方案設計分系統專項設計分系統專項設計主要用于開展分系統、組件或者某專業或專項功能的方案設計工作；分系統專項設計模塊提供了參數化、設計仿真集成的專項快速設計能力；多專業設計活動具體示例如圖所示。分系統方案設計分系統專項設計在完成各分系統、組件的Modelica建模后，可以將其導入MWORKS.Sysbuilder中，作為分系統的設計模板；以某航天器的控制系統設計專項設計為例，其中包含動力學設計、執行機構、測量敏感器三大類。以動力學設計中的太陽翼帆板為例，Modelica仿真模型能夠支撐三種不同類型的太陽翼帆板，可根據具體情況進行設備選型；可以查看每種太陽翼帆板的技術指標，例如，選擇Bell太陽翼帆板，查看其質量、電功耗、熱耗等技術指標，方便根據需求進行初步選型；選型之后，可以進一步根據分系統、組件的指標和需求，結合選型設計確定的專項基本模型，調整指標值；基于系統總體架構，將動力、電氣結構、信息流、控制等各分系統方案集成，形成完整的系統總體方案，在設計一覽頁面中將會顯示分系統方案的各項指標。分系統方案評估在完成分系統的選型和參數設計之后，接下來可以進行仿真模型的驅動以開展分系統方案的評估可行性論證在系統工程領域，MBSE方法被廣泛應用于設計、開發和驗證復雜系統的方案。其中，可行性論證是確保系統滿足需求并能夠成功實現的重要步驟之一，其主要活動如圖所示。將詳細描述MBSE方法中可行性論證的關鍵內容，包括需求追溯性分析、需求覆蓋性分析、約束模型驗證。需求追溯性分析與需求覆蓋性分析需求追溯性分析與需求覆蓋性分析需求追溯性分析是指跟蹤和確認系統需求從其來源到最終實現的過程；需求覆蓋性分析是指驗證系統方案是否能夠滿足系統需求。需求追溯性分析與需求覆蓋性分析約束模型驗證可以通過約束模型對系統各類資源、參數的滿足關系進行驗證，也可以進行各項需求、技術指標的初期驗證評估；在MBSE方法中，可以使用參數圖來表示系統架構模型中的參數和變量之間的關系。通過對參數圖進行計算和仿真，可以獲得系統方案的性能指標，并以此來評估系統的可行性；約束模型本質上也是參數圖的一種變種，都是以公式化的形式描述系統參數、各類技術指標的約束關系。MWORKS.Sysbuilder通過樹狀圖+節點的形式能夠將約束模型進行層級化的展示，從而形成更直觀的模型結構，便于模型組織與信息傳遞。在約束模型內部，可以通過公式編輯和拖動式關聯實現約束模型的定義，建模方式更加方便易用。本章小結在MBSE方法中，系統架構定義與可行性論證階段是系統設計的初期階段。本章介紹了系統架構設計、分系統方案設計和可行性論證等工作，并以某深空探測工程系統作為