基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型及构建方法

摘要

基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型及构建方法,涉及系统工程技术领域。解决现有航天飞行器系统存在存出错率高且且效率低的问题。系统架构模型的构建方法为：确定客户需求，然后构建运行概念，得到顶层需求；将顶层需求分类，得到功能需求和设计参数；根据功能需求，得到功能用例，并将功能需求分配功能用例，将功能用例分配设计参数；细化功能用例的流程，得到子行为，将子行为以泳道形式分配设计参数，创建分配矩阵，然后进行解耦，若为非耦合矩阵，则构建设计参数具有的新功能需求和新设计参数，若不是，则重新设计所述功能需求和所述设计参数，进而得到系统架构模型。本发明适用于复杂航天器的总体设计领域。

说明书

技术领域

本发明涉及系统工程技术领域。

背景技术

空间飞行器是具有高风险的复杂系统，其具有紧密耦合的子系统和复杂的相互作用。由于空间任务的多学科性质，它们在需求、设计等方面表现出高度复杂性，而且难以管理，这与较高的航天器成本和较低的任务成功率有关。

在航天飞行器中，系统的特点是大量子系统的紧密集成，包括多个领域，如机械、电气、控制和软件等，使得航天飞行器的系统高度复杂。航天器系统存在大量子系统集成，分系统间的功能耦合会影响系统设计流程，进而影响设计结果。

现有基于文档航天器系统，为传统的系统工程，航天器涉及到多种学科，因此往往需要多个部门协作设计，然后汇总到总体部门。现在的系统工程通常是各个部门内部利用计算机辅助设计，如有限元分析结构、matlab分析控制。而跨部门之间通常传递文件来进行交流，如接口文件、规范文件、需求文件等等，且最终的文件数目将是庞大的。这就带来了传递的不一致或遗漏，一个内容的修改带来的影响需要在每一个文件中进行查找，容易出错且修改或查找错误需要在每一个文件中进行查找，导致耗费时间长，效率低下。

因此，综上所述，现有航天器系统存出错率高且且效率低的问题。

发明内容

本发明解决现有航天飞行器系统存在存出错率高且且效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，所述方法为：

S1、确定客户需求，根据所述客户需求构建整个任务的运行概念；

S2、根据所述运行概念，得到完成任务的顶层需求；

S3、采用建模语言SysML将所述顶层需求进行构造型分类，得到功能需求FR和设计参数DP；

S4、根据所述功能需求FR得到功能用例，并将所述功能需求FR分配所述功能用例，同时将所述功能用例分配一个主要的设计参数DP；

S5、细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP，得到含有子行为的设计参数；

S6、根据所述含有子行为的设计参数创建分配矩阵，根据所述分配矩阵得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵；

S7、对所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵进行解耦，确认解耦之后的矩阵是否为非耦合矩阵，若是，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和新设计参数，将所述新功能需求的功能用例对应所述新功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP；

S8、重复步骤S3至步骤S7，直至功能需求FR与设计参数DP不可继续分解，得到系统架构模型。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S1具体为：

建模语言SysML使用模块定义图、内部模块图和用例图对所述用户需求进行建模，得到所述运行概念。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S2中的顶层需求包括系统指标、系统功能、任务约束和设计边界。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S3具体为：

建模语言SysML根据所述顶层需求的ID、文本和表征功能的短语，得到所述功能需求FR；

根据所述建模语言SysML的模块定义图得到所述设计参数DP。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S5具体为：

建模语言SysML构建每个所述功能用例对应的活动图，根据所述活动图细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP，得到含有子行为的设计参数。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S6具体为：

建模语言SysML根据所述含有子行为的设计参数，创建活动分配模块的分配矩阵，纵行选择所述功能用例所在包的活动，横行选择具有所述设计参数DP的模块，将所有功能用例的活动进行折叠，得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵。

进一步，还有一种优选实施例，上述步骤S7具体为：

对所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵进行解耦，若是对角阵或三角阵矩阵，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和新设计参数，根据所述新功能需求，得到新功能用例，所述新功能用例分配所述新功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP。

本发明提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型，所述模型包括：

单元1：用于确定客户需求，根据所述客户需求构建整个任务的运行概念的存储装置；

单元2：用于根据所述运行概念，得到完成任务的顶层需求的存储装置；

单元3：用于建模语言SysML将所述顶层需求进行构造型分类，得到功能需求FR和设计参数DP的存储装置；

单元4：用于根据所述功能需求FR，得到功能用例，并将所述功能需求FR分配所述功能用例，同时将所述功能用例分配一个主要的设计参数DP的存储装置；

单元5：用于细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP的存储装置；

单元6：用于根据所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP，创建分配矩阵，根据所述分配矩阵得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵的存储装置；

单元7：用于对所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵进行解耦，确认解耦之后的矩阵是否为非耦合矩阵，若是，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和新设计参数，将所述新功能需求的功能用例对应所述新功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP的存储装置；

单元8：用于重复单元3至单元7，直至功能需求FR与设计参数DP不可继续分解，得到系统架构模型的存储装置。

本发明提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述任意一项所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法。

本发明提供一种计算机设备，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行上述任意一项所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法。

本发明的有益效果为：

与现有技术相比，本发明产生了如下个优点：

1、现有航天飞行器采用基于文档的系统工程，跨部门之间通常用传递文件来进行交流，如接口文件、规范文件、需求文件等等，且最终的文件数目将是庞大的。这就带来了传递的不一致或遗漏，一个内容的修改带来的影响需要在每一个文件中进行查找，造成容易出错且修改或查找错误需要在每一个文件中进行查找，导致耗费时间长，效率低下的问题。本发明提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，采用基于模型的系统工程，将模型作为唯一真实来源，跨部门之间传递的内容是系统模型，同时模型元素的修改具有追溯性，可以快速确定影响范围，解决现有现有航天飞行器采用基于文档的系统工程带来的容易出现错误问且修改或查找错误需要在每一个文件中进行查找，导致耗费时间长，效率低下的题，提高系统质量和项目性能。

2、现有航天飞行器的系统具有紧密耦合的子系统和复杂的相互作用，由于空间任务的多学科性质，它们在需求、设计等方面表现出高度复杂性，而且难以管理，因此航天飞行器的成本高和任务成功率较低。本发明提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，采用基于模型的系统工程，通过唯一模型数据源来减少设计错误，通过防止昂贵的返工来降低成本和提高任务成功率，解决现有航天飞行器的成本高和任务成功率较低的问题。

3、现有航天飞行器的系统存在大量子系统集成，分系统间的功能耦合会影响系统设计流程，进而影响设计结果。本发明提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，采用公理设计原理为航天飞行器的系统提供基础，公理化设计利用满足独立公理的设计矩阵减少了功能回路。这使得设计元素修改对其他功能的影响最小或是单向影响，减少了设计的耦合，同时提供了解耦的系统设计顺序，解决现有航天飞行器系统存在的分系统间的功能耦合会影响系统设计流程，进而影响设计结果的问题。还可以指导并评估航天飞行器系统设计的优劣。

本发明适用于复杂航天器的总体设计领域。

附图说明

图1是实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法的流程图；

其中，MBSE为系统工程，SysML为建模语言；

图2是实施方式一所述的阶段示意图；

图3是图2所述阶段示意图中创建Conops捕获需求基线的放大图；

图4是图2所述阶段示意图中需求图的放大图；

图5是图2所述阶段示意图中活动图的放大图；

图6是图2所述阶段示意图中模块定义图的放大图；

图7是图2所述阶段示意图中内部模块图的放大图；

图8是实施方式一所述的建模语言SysML的包图定义构造型示意图；

图9是实施方式一所述的推进分系统示意图；

图10是实施方式一所述的数据下传的参数图；

图11是实施方式一所述的数据下传的仿真结果图；

图12是实施方式五所述的轨道控制功能需求的细化活动图；

图13是实施方式七所述的解耦后的分配矩阵。

具体实施方式

实施方式一.参见图1至图11说明本实施方式，本实施方式提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，所述构建方法为：

S1、确定客户需求，根据所述客户需求构建整个任务的运行概念；

S2、根据所述运行概念，得到完成任务的顶层需求；

S3、采用建模语言SysML将所述顶层需求进行构造型分类，得到功能需求FR和设计参数DP；

S4、根据所述功能需求FR得到功能用例，并将所述功能需求FR分配所述功能用例，同时将所述功能用例分配一个主要的设计参数DP；

S5、细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP，得到含有子行为的设计参数；

S6、根据所述含有子行为的设计参数创建分配矩阵，根据所述分配矩阵得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵；

S7、对所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵进行解耦，确认解耦之后的矩阵是否为非耦合矩阵，若是，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和新设计参数，将所述新功能需求的功能用例对应所述新功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP；

S8、重复步骤S3至步骤S7，直至功能需求FR与设计参数DP不可继续分解，得到系统架构模型。

本实施方式在实际应用时，建模语言选择SysML。如图1和图2所示，确定客户需求，根据所述客户需求构建整个任务的运行概念，得到完成任务的顶层需求、其它需求和约束，建模语言SysML从所述客户需求中捕获所述顶层需求，并以构造型将所述顶层需求进行分类，对应了公理设计的用户域到功能域的映射。建模语言SysML将所述顶层需求进行构造型分类，得到功能需求FR和设计参数DP，建模语言还提供了一种扩展能力以扩充SysML语义，这些扩展，称为“profile”，是通过一些应用于特定模型元素metaclass的构造型、约束和标签来定义的，例如，类、属性、操作和活动。如图8所示，建模语言SysML的包图定义构造型示意图包括需求类别中的功能需求、模块的设计参数、横向映射与纵向映射。将功能需求FR分配至功能用例，将所述功能用例分配至一个主要的设计参数DP实现功能域到物理域的映射，建模语言SysML中增加了功能用例作为过度，如图9所示，利用关联构建功能需要分配功能用例，功能用例分配设计参数，实现系统工程中的需求的追溯与验证关系，以及公理化设计的功能需求到主要设计参数的映射。使得功能需求FR和设计参数DP之间具有模型上的追溯关系，当修改功能需求FR后，依然可以迅速追溯到对应的设计参数DP。细化所述功用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP。创建分配矩阵，根据所述分配矩阵得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵；对所述分配矩阵进行解耦，确认解耦之后的矩阵是否为非耦合矩阵，若是，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和设计参数，将所述新的功能需求的功能用例对应所述新的功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP；建模语言SysML利用功能需求FR对应的活动图构建描述DP之间交互的IBD图以描述系统之间的交互接口关系作为过程变量(PV)，定义接口与流之间的传递类型。这对应了公理设计的物理域到过程域的映射。随后可以选择定义系统以及模块具有的参数，如图10所示，按照需要进行适当的赋值仿真以验证数据下传的时间约束的满足情况。如图11所示，若仿真结果满足指标，需要进行方案修正。解决了公理设计仅依赖设计矩阵评估设计方案的弊端，利用早期验证来定量从指标上进一步评估设计结果，同时可以开展权衡分析以优化系统性能。

现有航天飞行器采用基于文档的系统工程，跨部门之间通常用传递文件来进行交流，如接口文件、规范文件、需求文件等等，且最终的文件数目将是庞大的。这就带来了传递的不一致或遗漏，一个内容的修改带来的影响需要在每一个文件中进行查找，造成容易出错且修改或查找错误需要在每一个文件中进行查找，导致耗费时间长，效率低下的问题。本实施方式提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，采用基于模型的系统工程，将模型作为唯一真实来源，跨部门之间传递的内容是系统模型，同时模型元素的修改具有追溯性，可以快速确定影响范围，解决现有现有航天飞行器采用基于文档的系统工程带来的容易出现错误问且修改或查找错误需要在每一个文件中进行查找，导致耗费时间长，效率低下的题，提高系统质量和项目性能。

现有航天飞行器的系统具有紧密耦合的子系统和复杂的相互作用，由于空间任务的多学科性质，它们在需求、设计等方面表现出高度复杂性，而且难以管理，因此航天飞行器的成本高和任务成功率较低。本实施方式提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，采用基于模型的系统工程，通过唯一模型数据源来减少设计错误，通过防止昂贵的返工来降低成本和提高任务成功率，解决现有航天飞行器的成本高和任务成功率较低的问题。

现有航天飞行器的系统存在大量子系统集成，分系统间的功能耦合会影响系统设计流程，进而影响设计结果。本实施方式提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法，采用公理设计原理为航天飞行器的系统提供基础，公理化设计利用满足独立公理的设计矩阵减少了功能回路。这使得设计元素修改对其他功能的影响最小或是单向影响，减少了设计的耦合，同时提供了解耦的系统设计顺序，解决现有航天飞行器系统存在的分系统间的功能耦合会影响系统设计流程，进而影响设计结果的问题。还可以指导并评估航天飞行器系统设计的优劣。

实施方式二.本实施方式是对实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法中的步骤S1作举例说明，所述步骤S1具体为：

建模语言SysML使用模块定义图、内部模块图和用例图对所述用户需求进行建模，得到所述运行概念。

本实施方式在实际应用时，运行概念捕获需要对任务执行域进行建模，采用建模语言SysML中的模块定义图BDD、内部模块图IBD和用例图UC进行建模，同时还需要关注系统本身与外部环境、系统以及人员等交互以及任务流程，采用建模语言SysML中的活动图和序列图进行建模，得到运行概念。

实施方式三.本实施方式是对实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法中步骤S2的顶层需求作举例说明，所述顶层需求包括系统指标、系统功能、任务约束和设计边界。

本实施方式在实际应用时，根据运行概念，完成任务的顶层需求，所述顶层需求包括系统指标、系统功能、任务约束和利用现有资源的设计边界。

实施方式四.本实施方式是对实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法中的步骤S3作举例说明，所述步骤S3具体为：

建模语言SysML根据所述顶层需求的ID、文本和表征功能的短语，得到所述功能需求FR；

根据所述建模语言SysML的模块定义图得到所述设计参数DP。

本实施方式在实际应用时，功能需求FR根据具有ID、文本和表征功能的短语用例的用户需求来共同指定。根据所述建模语言SysML的模块定义图下的模块定义所述设计参数DP。

实施方式五.参见图12说明本实施方式，参见本实施方式是对实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法中的步骤S5作举例说明，所述步骤S5具体为：

建模语言SysML构建每个所述功能用例对应的活动图，根据所述活动图细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP，得到含有子行为的设计参数。

本实施方式在实际应用时，建模语言SysML构建每个所述功能用例对应的活动图，根据所述活动图细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，以控制流描述其顺序，以项目流描述活动交互，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP。利用所述活动图仿真来验证设计的合理性。建模语言SysML的活动利用泳道的形式直接构建活动至模块的分配关系。因此，将功能用例对应的主活动构建活动图，定义活动顺序，将内部的子行为(action)同样定义为活动并分配至泳道以构建活动流程。其中，子行为为每个活动的组成单元。对于非直接但有流交互的活动流程，以项目流语义按照SysML建模方式来定义。如图12所示，图12为轨道控制功能需求的细化活动图，虚线表示控制流并连接行为流程，实线带有方块的为项目流，表示传递流的关系，如推进系统工作需要电源供电模块和推进剂提供才能工作，尽管提供功率并不是一个直接功能流程的一环，但元件只能在存在电源的条件下工作。功率就是一种项目流，表示交互的传递。项目流可以在非直接活动流程序列中出现并着重强调了活动间的流关系，活动图的引入使得公理设计的功能分析可以在模型中进行而不是依赖文档，项目流的引入使得公理设计的功能分析可以考虑更多的交互。这是传统公理设计所欠缺的能力。

实施方式六.本实施方式是对实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法中的步骤S6作举例说明，所述步骤S6具体为：

建模语言SysML根据所述含有子行为的设计参数，创建活动分配模块的分配矩阵，纵行选择所述功能用例所在包的活动，横行选择具有所述设计参数DP的模块，将所有功能用例的活动进行折叠，得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵。

本实施方式在实际应用时，建模语言SysML创建活动分配至模块的分配矩阵，纵行选择FR用例所在包的活动，横行选择具有DP构造型的模块。由于行的活动位于所在的功能用例内，分配矩阵会以可展开的类文件夹形式，因此将所有的功能用例下活动进行折叠，得到功能用例至设计参数DP的分配矩阵，由于建模语言SysML的模型性质，分配关系矩阵为自动生成，且对功能需求或设计参数DP进行修改都会自动同步变更，减少了迭代的工作量，也确保数据一致不出现遗漏等错误。

实施方式七.参见图13说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法中的步骤S7作举例说明，所述步骤S7具体为：

对所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵进行解耦，若是对角阵或三角阵矩阵，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和新设计参数，根据所述新功能需求，得到新功能用例，所述新功能用例分配所述新功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP。

本实施方式在实际应用时，对所述分配矩阵进行解耦转换为对角阵或三角阵，若无法转换为三角阵，表示设计方案不满足独立公理，需要重新设计功能需求FR与设计参数DP直至满足。图13为解耦后的分配矩阵，其中矩阵内的数字为其下具有的活动分配至DP的数目。

实施方式八.本实施方式提供一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型，所述模型包括：

单元1：用于确定客户需求，根据所述客户需求构建整个任务的运行概念的存储装置；

单元2：用于根据所述运行概念，得到完成任务的顶层需求的存储装置；

单元3：用于建模语言SysML将所述顶层需求进行构造型分类，得到功能需求FR和设计参数DP的存储装置；

单元4：用于根据所述功能需求FR得到功能用例，并将所述功能需求FR分配所述功能用例，同时将所述功能用例分配一个主要的设计参数DP的存储装置；

单元5：用于细化所述功能用例的流程，得到所述功能用例所具备的子行为，将所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP的存储装置；

单元6：用于根据所述子行为以泳道形式分配所述设计参数DP创建分配矩阵，根据所述分配矩阵得到所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵的存储装置；

单元7：用于对所述功能用例至所述设计参数DP的分配矩阵进行解耦，确认解耦之后的矩阵是否为非耦合矩阵，若是，则按顺序构建设计参数DP具有的新功能需求和新设计参数，将所述新功能需求的功能用例对应所述新功能需求，若不是，则重新设计所述功能需求FR和所述设计参数DP的存储装置；

单元8：用于重复单元3至单元7，直至功能需求FR与设计参数DP不可继续分解，得到系统架构模型的存储装置。

实施方式九.本实施方式提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行实施方式一至实施方式七任意一项所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法。

实施方式十.本实施方式提供一种计算机设备，该设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行实施方式一至实施方式七任意一项所述的一种基于MBSE的飞行器公理化设计的系统架构模型的构建方法。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不限制于本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。