基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法

李 璞，李春明，范知友，李 硕，张金洋

（1.中国北方车辆研究所，北京 100072；2.北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

0 前言

战场高度体系化、信息化使得武器装备信息系统复杂度剧烈提升[1]。当前，主流装甲车辆信息系统涵盖武器、主动防护、行动、传动、电气、指控、通信等众多分系统，包括的信息节点数超过60个；同时，新一代装甲车辆进一步强调兵力火力信息里一体、网络平台传感器深度融合、有人/无人结合、地面/控制结合、近战/远战结合等特点，使新研信息系统复杂度将在当前基础上进一步提升。

复杂的提升增加了装甲车辆信息系统设计难度，使得传统方法暴露诸多问题，包括无法早期验证、维护设计一致性及可溯性困难等。新一代装甲车辆研发对于传统信息系统设计方法和流程提出了改进和更新的需求[2]。

Harmony SE是基于SysML语言系统工程方法论。其设计阶段包括需求分析、系统功能分析及架构设计[3]。Harmony SE通过层进式的设计设计流程，推导出更加稳固的系统架构；通过系统仿真，在修改成本低廉的阶段，迭代设计系统行为和属性，降低设计成本及风险；其所使用的SysML建模语言，能够提升设计综合性、一致性和可追溯性，促进不同研究部门的协同工作[4]。

1 技术简介

1.1 Harmony SE方法简析

Harmony SE系统工程设计流程包括需求分析、系统功能分析及设计综合三个阶段，流程如图1所示。该流程基于用例驱动，不断阶段层进式迭代完成设计[5]。

图1 Harmony SE方法论分析流程图

1.1.1 需求分析

需求分析阶段的目的在于分析设计输入，即涉众需求。基于涉众需求，推导出用户需求和系统需求，从而明确系统的功能需求和服务质量需求。最后，通过设计系统级用例，将系统需求归类[6]，具体的系统需求分析流程如图2所示。

1.1.2 系统功能分析

系统功能分析阶段的目的在于将系统需求转化为系统行为。该阶段分析通过分析系统级用例，设计系统级模型。通过运行模型，验证系统需求及系统模型的正确性。具体的系统功能分析流程如图3所示。

图2 系统需求分析流程图

图3 系统功能分析流程图

1.1.3 设计综合

设计综合阶段的重点在于基于需求分析及系统功能分析阶段的结果，开发能够满足功能及性能需求的物。理架构；通过联合运行物理模块模型，验证物理架构的正确性。该阶段包括架构分析及架构设计两个阶段。

1）架构分析

架构分析阶段的目的在于分析不同特性，比较候选系统架构，从而确定最优方案。架构分析流程如图4 所示。

2）架构设计

架构设计阶段的重点在于将功能性及非功能性的需求分配到对应的系统结构。

1.2 直接应用Harmony SE系统方法论的问题

Harmony SE系统工程方法将研究粒度定为两级，即系统级及物理部件级，分别对应系统功能设计及设计综合两个阶段[7]。其设计逻辑清晰，目标明确。但实施中，在装甲车辆信息系统设计中直接应用Harmony SE系统工程方法会产生两方面不兼容问题，即：

图4 架构分析流程图

缺失硬件架构无法进行设计。装甲车辆功能设计阶段，系统功能及分系统功能得到明确，但无法清晰定义硬件系统组成。硬件架构的缺失将导致Harmony SE方法中设计综合阶段无法进行后续工作；

硬件交联关系难于分析。若按照Harmony SE系统工程方法，硬件部件信息交联复杂度为O（N2），其中N为节点数量，即部件间的分析工作量与部件个数的平方成正比。新一代装甲车辆信息系统中包含60个以上的硬件节点，若按照Harmony SE方法分析其间交联关系工作量巨大。

图5 结构设计流程

为解决以上突出问题，必须结合装甲车辆信息系统特性，对Harmony SE方法论进行适应性修改，提出适应新一代装甲车辆信息系统设计的方法论。

2 基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法流程

2.1 流程概述

基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法将装甲车辆分为整车级、分系统级及硬件模块级三个层次。通过两个经过适应性修改的Harmony SE过程，对三个层次的对象分别进行分析，得出装甲车辆信息系统的分层模型，具体的分层模型设计流程图如图6所示。

图6 基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计流程

2.2 任务剖面与任务流程设计

任务剖面与任务流程设计对应Harmony SE方法中的需求分析阶段。该设计以作战使用需求作为涉众需求，推导出系统需求和使用场景，即顶级用例。通过将作战使用过程逐步细化，推导出作战使用具体场景，即子用例。此后根据Harmony SE中的用例需求分析方法对整车级用例进行分析及验证。

选取装甲车辆的打击场景为例。通过分析作战使用要求，初步分析顶级用例“打击”；通过对打击用例的逐步细化，分析出打击用例下的具体应用场景，即子用例，其中包括直瞄打击、间瞄打击等；通过将子用例与乘员关联，明确乘员在具体应用场景中的任务。最后，需求分析的结果将通过设计SysML用例视图，如图7所示，并作为设计结果输入至信息顶层设计中。

图7 SysML设计装甲车辆打击场景需求分析系统用例图

2.3 信息顶层设计

信息顶层设计以系统需求作为输入，按照Harmony SE系统工程方法中的系统功能分析及设计综合流程，对装甲车辆车际接口、人机接口以及分系统之间的交联关系进行分析、设计；分别设计并运行整车级及分系统级状态机，修改、验证整车级及分系统级信息流。信息顶层设计成果包括系统活动图、系统状态图、系统时序图如图8～图10所示。该阶段设计结果将作为输入至信息系统详细设计。

图8 系统活动图

图9 系统状态图

图10 系统时序图

2.4 信息系统详细设计

信息系统详细设计以分系统设计为输入，应用Harmony SE中的设计综合阶段中的架构设计流程设计硬件模块间的交联关系；设计并运行分系统内部各硬件模块的状态机，修改、验证分系统内部硬件模块间及硬件模块与其他分系统间的交联关系。该阶段成果包括分系统活动图、分系统时序图、硬件模型等，分系统活动图，状态图，时序图如图11～图13所示。该阶段的硬件模型作为下一阶段输入。

2.5 设计综合

该阶段按照Harmony SE中的系统集成流程，将各分系统下的硬件模型进行集成，形成整车模型。

2.6 逐层验证，迭代设计

使用硬件模型集成后的整车模型，自底向上地逐层验证设计结果，即：部件验证、分系统验证、整车验证。

3 基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法分析

3.1 基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法特点

基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法中，任务剖面与任务流程设计及信息顶层设计应用第一个Harmony SE流程，输入为作战使用需求，输出为各功能分系统的需求与模型，以及分系统之间的交联关系；信息系统详细设计及设计综合应用自定义的Harmony SE流程，输入为各功能分系统的需求与模型，输出为物理部件模型、物理部件间的交联关系及部件模型集成后的整车模型。该中方法的特性如下：

1）逻辑清晰。该方法基于Harmony SE系统方法论，对装甲车辆信息系统进行自顶向下式设计，不同设计阶段间输入、输出逻辑清晰；

2）层进式设计。该流程包括剖面与任务流程设计、信息顶层设计、信息系统详细、设计综合及逐层验证五个阶段，对信息系统分别进行系统级、功能分系统及硬件模块级建模及建模；

3）设计结果验证。每个阶段后对该阶段设计结果进行仿真，验证设计结果满足功能需求；

4）自底向上逐层验证。设计综合阶段，将硬件模型集成为整车模型。通过仿真整车模型，实现对信息系统自底向上的逐层验证。

图11 分系统活动图

图12 分系统状态图

3.2 解决直接应用Harmony SE系统方法论的问题

对于Harmony SE方法在实际应用中遇到的突出问题，该流程能够有效解决：

解决“缺失硬件架构无法进行设计”问题。该流程在第一次应用Harmony SE流程中，仅分析至功能分系统级别，不涉及具体硬件部件。而相对于硬件部件，装甲车辆的功能分系统较为固定，在系统设计初期即可确定。因而可以顺利进行剖面与任务流程设计及信息顶层设计工作。而信息系统详细设计及设计综合阶段可以在硬件组成确定后开展；

图13 分系统时序图

解决“硬件交联关系难于分析”问题。第一个Harmony SE流程中，对分系统模型进行分析，从而推导出分系统内部的硬件模块交联关系；分系统内部硬件模块与外部硬件模块通过统一的分系统接口进行交联。再通过设计综合阶段将各分系统进行集成，从而形成整车模型。该种方式下系统分析复杂度虽仍为O（N'2），但N'为分系统内部硬件数量，明显小于整车硬件数量；另一方面，由于分系统个数相同，集成的复杂度为常量，不随N增长。故该方法下，硬件模块交联设计复杂度明显下降。

4 结束语

Harmony SE方法具有逻辑清晰、一致性强等特点，适用于复杂系统设计。但装甲车辆信息系统设计直接应用Harmony SE方法会导致无法确定硬件架构和硬件交联关系难于分析等两个突出问题，在应用中要对其进行适应性修改。

本文中提出了基于Harmony SE的装甲车辆信息系统分层模型设计方法。该方法结合装甲车辆信息系统特性，得出不同层次的信息系统模型，层进式完成系统设计。该种方法能够有效解决“缺失确定硬件架构无法进行设计”和“硬件交联关系难于分析”等两个问题，从而在有效设计系统的同时降低系统设计复杂。

参考文献：

[1]邵健.基于MBSE的航天任务分析与设计方法[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2015.

[2]金圣楠.基于Harmony SE方法的坦克启动信息系统设计[J].装甲兵工程学员学报.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.