面向场景的航空发动机基于模型的系统工程设计

张玉金，黄 博，廖文和

(1.南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016；2.西北工业大学 机电学院，陕西 西安 710072;3.中国航发商用航空发动机有限责任公司，上海 200241)

0 引言

航空发动机体现了一个国家的工业基础和科技水平，被誉为现代工业“皇冠上的明珠”。作为重要的应用领域，商用航空发动机全球年产量超过5 600台，年总产值超过360亿美元，具有广阔的市场前景和市场价值。然而，由于商用航空发动机为典型的复杂系统，具有产品复杂性高、研发成本高昂、研发周期长等特点，迫切需要研究高效的研发模式，以提高其研发过程的集成化和协同化[1]。为此，国际先进航空航天国防企业提出基于模型的系统工程(Model Based System Engineering, MBSE)方法。该方法采用结构化模型和语言，实现了“需求—功能—逻辑—物理”设计和验证过程的贯通。与传统的基于文档的系统工程相比，MBSE突破了文件的自然语言描述歧义性、文件传递的静态非结构性等限制，促进了集成化研发模式的发展[2-3]。

Harmony-SE是IBM公司推出的一套MBSE方法论，在航空航天、汽车、医疗行业经过一定试点,其流程和建模工具也被认为具备一定的实践可行性。中国航空工业集团为持续提升航空产品的研发能力和水平，以适应航空型号工程数字化和管理信息化的发展趋势，于2013年引入Harmony-SE方法论，先后在40多家单位开展了MBSE试点应用，在飞机整机、航电、飞控、惯导、地面站、机电等多个领域开展了应用研究，逐步探索出一条适合航空产品研制MBSE应用的路线[4]。IBM公司的Harmony-SE方法采用支持模型驱动开发的增量迭代式周期活动流，经过需求分析、系统功能分析、系统设计综合3个阶段协同开发，能够较好地适用于机载软件的开发设计。然而经过探索实践证明，在航空发动机整机级和系统级设计方面，Harmony-SE方法仍存在以下局限性：

(1)在需求分析阶段，系统用例的抽取方法存在模糊性，而后续工作的开展都基于系统用例，用例选取的完整性和颗粒度直接影响功能分析和设计综合的全面准确性。

(2)在功能分析阶段，缺乏明确的功能分层分解方法，而且功能层级不明确，无法生成适航要求以及支撑系统安全性分析的功能层级图(functional hierarchy)。

(3)在设计综合阶段，架构分析过程的候选方案效能评估依赖大量的仿真和计算分析；架构权衡与备选方案效能评估部分的模型和数据与前期功能分析过程模型和数据脱节，造成架构权衡工作与SysML建模过程脱节，使设计过程不可回溯。

另外，遵循适航要求，商用航空发动机研发必须从预期的运行场景出发，针对不同场景下的运行要求和使用限制进行合理的功能性能设计，保证系统预期的行为皆在可接受的安全范围之内[5]。因此，为解决将Harmony-SE方法运用于商用航空发动机研发存在的问题，需要结合商用航空发动机型号设计的实践需求，以及适航当局对设计过程追溯性、发动机产品适用场景完备性等要求。为此，本文提出一种面向运行场景的商用航空发动机MBSE设计方法，实现了从航空发动机全生命周期运行场景出发，进行需求捕获、功能分析、逻辑架构定义和物理设计的完整MBSE过程，同时采用基于可扩展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)的元数据交换格式，打通基于SysML的功能逻辑模型和基于Modelica的物理性能模型，实现模型传递和设计过程数据的可追溯性。

1 面向运行场景的商用航空发动机MBSE设计方法

1.1 商用航空发动机设计过程的适航要求

适航的定义和内涵指出，民用航空产品研发必须遵循系统工程的方法，识别复杂产品在各类运行场景下需提供的能力，即保证问题域的完整性和正确性[5]；另外，《民用飞机及系统研发指南》(编号SAE ARP 4754，当前版本A)在分析全球航空产品研发最佳实践的基础上，提出“概念—功能—架构—设计—实现”研发生命周期模型，强调功能分析和架构定义正向设计过程的重要性。航空发动机作为典型复杂系统，一方面，其运行的外界环境具有多样性和多变性，会导致系统在非预期的运行环境中出现混沌的行为模式，进而产生无周期、非规律和难以预知的系统失效模式[6]；另一方面，发动机产品全生命周期运行场景识别不全导致产品设计阶段缺失关键需求，例如未充分考虑产品的维修性、通用性、成本控制等因素，导致丧失发动机产品的市场竞争力。

因此，商用航空发动机研发需要面向发动机全生命周期的运行场景，正向定义复杂航空产品架构，保证航空发动机产品的高可靠性和安全性。建立从场景建模到“需求—功能—架构”建模，规范地应用建模(及仿真)支持“运行场景—系统需求—设计—分析—验证与确认活动”的复杂航空产品设计链的高效协同，保证模型和数据持续贯穿整个产品研发阶段和后续生命周期阶段。

1.2 面向运行场景的商用航空发动机MBSE设计流程

基于适航要求，结合型号研制的实践经验，本节在对Harmony-SE流程进行细化和完善的基础上，提出一种面向运行场景的MBSE(Scenario Oriented-MBSE，OS-MBSE)商用航空发动机设计流程，能够满足工程研制的要求。OS-MBSE设计流程如图1所示，主要包括8个关键技术环节：①定义运行场景；②识别用例，建立与场景的关联；③分析用例场景，提取顶层功能和外部接口；④确认并分解功能，建立功能层级；⑤定义功能逻辑流和对象流，建立功能逻辑；⑥将功能分配给逻辑实体，建立系统逻辑架构；⑦定义系统接口和接口要求；⑧基于系统逻辑架构，开展物理性能建模和仿真验证评估。下面详细阐述OS-MBSE设计流程的主要实施流程及其与传统Harmony-SE相比所具有的优势。

1.2.1 OS-MBSE设计流程的主要实施流程

(1)运行场景定义 航空发动机运行场景指人员行为、飞行阶段、内外部环境(着火、大气、地形、电磁等)和发动机内部状态的组合，具有多维度耦合性[7]。因此，本文从生命周期运营阶段、发动机状态模式和内外部环境3个维度定义完整的运行场景，如图2所示。通过3个维度组合，可以识别2 000多个商用航空发动机运行场景，每个运行场景相应地定义一个系统用例，从而有效保证用例定义的完整性。

(2)分析用例场景 指站在用户的视角，针对某个运行场景提出对系统顶层的能力(服务)要求。场景主要包括以下活动：①场景时序分析，将被设计系统作为一个整体(黑盒)，通过时序图分析某个场景的典型运行过程；②与外部系统交互分析，基于时序图识别出被设计系统的外部接口系统(黑盒内部块图(Internal Block Diagram，IBD))；③定义系统顶层功能需求和功能接口，通过时序图中的外部接口输入输出关系和系统内的运行过程识别系统顶层功能。通过全面的场景分析可以确保系统顶层功能识别的完整性。

(3)功能分析 功能分析是针对用例场景得到的系统顶层功能，通过活动图对每个顶层功能进行功能分析，得到下一层级的功能以及功能之间的逻辑关系；在此基础上，采用块定义图(Block Definition Diagram，BDD)描述功能分层分级的关系，形成功能层级架构(functional hierarchy)。

(4)系统逻辑架构模型构建 在系统功能分析的基础上，通过划分泳道将功能分配给系统元素或逻辑实体，构建系统的逻辑架构模型。该模型利用SysML模型中的块定义图和内部块图展示航空发动机各系统、部件的架构信息，以及与其他使能系统的关系和接口，准确描述系统功能和状态所涉及的子系统内部以及子系统间的关系。

(5)系统架构分析 指在综合考虑成本、性能、安全性、可靠性等诸多因素的基础上，权衡多种方案并获取最优方案的过程。在权衡分析商用航空发动机设计方案时，需要考虑推力、耗油量、发动机重量和计划成本等关键影响因素，从可选系统设计方案中筛选出最佳方案。为解决基于SysML的功能逻辑架构只能通过模型表达系统的功能和行为，无法支持对系统性能、可靠性、安全性等量化的参数特性进行分析的缺陷，OS-MBSE设计流程的架构权衡分析过程在依托物理性能模型的基础上，采用基于XML的元数据中间交换技术，构建逻辑模型和物理模型之间的转换方法，并建立基于统一架构的建模和仿真验证过程，实现架构权衡分析过程数据和架构设计结果的可追溯性。在架构权衡分析过程中，物理性能模型仿真分析可以评估系统逻辑架构的合理性和对需求的满足度，而且航空发动机的系统功能/逻辑架构和物理架构的设计是不断迭代和逐步分解的过程。系统逻辑架构模型与物理性能模型的关系如图3所示。

1.2.2 OS-MBSE设计流程的优势

OS-MBSE设计流程在用例定义、功能分析和系统架构分析3个方面对Harmony-SE设计流程进行了改进，使其更适用于航空发动机研发。两种设计流程的比较如表1所示。

表1 OS-MBSE设计流程与Harmony-SE的比较

续表1

1.3 基于XML的统一建模技术

在OS-MBSE设计流程的架构分析阶段，将功能分配给系统元素构建系统逻辑架构后，采用白盒内部块图(IBD)建模。为了在物理性能设计中基于同一架构开展建模(文中物理性能模型基于Modelica语言)，必须将SysML的系统逻辑架构模型(内部块图)转换为Modelica物理性能架构模型，本文采用XML元数据交换(XML-based Metadata Interchange，XMI)标准规范进行模型转换。目前主流的SysML建模工具Rhapsody,Enterprise Architech,MagicDraw等均支持XMI的导入导出接口，因此不用具体的建模工具，仅依赖XMI标准规范即可满足主流SysML模型工具的转换需求。

XMI采用标准化的文档格式，并基于文档类型定义(Document Type Definition，DTD)或XML大纲定义(XML Schema Definition，XSD)为统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)元模型和其他模型定义了一种基于XML的数据交换格式。XMI中SysML模型部分的层级关系为XMI→Model→packageElment(可嵌套)→Property，Port，Connector，其他元数据引用SysML标准库中的元数据描述和工具扩展数据，模型转换所需要的数据(模型组成及结构、各类图)均在Model中存储。将SysML系统逻辑架构模型转换为Modelica物理架构模型主要包括以下两项关键技术：

(1)基于XMI对象映射的仿真模型框架生成技术

SysML设计模型在XMI文件中采用Model，packagement，ownedAttribute，ownedConnector，End等元素以及各元素对象间的组织关系描述模型的组织关系、Block、端口、IBD等对象，仿真模型则采用Modelica语法规则描述其参数、接口、内嵌对象、方程等对象，因此将XMI表达的SysML模型转换为Modelica仿真模型时，建立XMI元素对象和Modelica元素对象的对应关系是实现模型转换的关键技术。结合XMI模型元素的表达和组织关系以及Modelica语法语义，定义如图4所示的两者模型元素的对应关系。

基于上述元素的对应关系，按照Modelica语法依次提取XMI模型(class)信息生成对应的仿真模型，并建立两者模型之间的映射关系，在此基础上提取IBD模型的内嵌对象、接口、连接关系信息等，分别实例化生成对应的系统仿真模型框架，如图5所示。

(2)基于交互式的原理模型封装技术

将SysML模型基于映射方式转换成Modelica系统性能模型框架后，需要进一步细化性能模型，包括各类接口定义、零组件模型参数定义等，然后才能进行动态仿真验证，而且XMI文件缺乏对布局信息的描述，生成系统模型的布局与原有模型布局不对称。因此，如何使SysML模型到Modelica模型的转换过程满足布局和可验证要求是第二项关键技术。

针对SysML模型转换生成的Modelica系统仿真模型不可用于仿真验证的问题，在抽象Modelica模型表达规则的基础上，采用人工交互方式将模型框架封装成可运行的模型原理，并建立原理和外部接口的连接关系，从而在保证架构关系不变的同时填充模型的内部逻辑，使整个系统仿真模型生成后即可进行仿真验证；针对XMI文件缺少对象布局描述信息的问题，采用交互方式指定接口、内嵌对象、连接关系等布局信息，在生成模型的过程中将布局信息附于相关对象，即可实现转换后模型的对称布局。

1.4 基于模型的需求闭环验证

在复杂系统的开发过程中，验证用于保障各级系统和部件的功能与性能满足指标。因此在完成系统功能逻辑架构设计和物理建模后，需要针对各运行场景下利益攸关方的需求开展仿真验证。虚拟验证与确认是缩短研制周期、降低研制成本的有效手段，因此商用航空发动机MBSE设计方法不仅包括需求驱动的设计流程，还包括需求闭环验证的流程，如图6所示。

在虚拟仿真闭环测试阶段，根据需求定制仿真测试的业务流程。虚拟测试与验证流程包括定义需求验证方法、验证测试工况及测试执行目标、创建测试执行、定义工作流及任务分配、指定实例化模板及执行仿真流程、工作流程审查、完成工作流程、完成最终的评审和处理，通过该流程对商用航空发动机研制需求进行闭环验证。

2 应用实例分析

本章以某型号大涵道比涡扇商用航空发动机地面起动这一典型场景为分析对象，对所提OS-MBSE设计流程的实施过程进行实例分析，以验证所提设计流程的有效性和可行性。主要验证的设计流程包括需求建模、功能分析、逻辑架构建模、性能建模和系统联合仿真验证5部分。最后分析商用航空发动机MBSE设计方法在某型号大涵道比涡扇商用航空发动机研发设计过程的应用效果，表明所提方法可以促进航空发动机“预测式”研发模式的创新发展。

2.1 需求建模

在地面起动场景下，发动机主要与飞机系统、飞行员(间接)和外部大气环境产生输入、输出的交互关系(上述交互对象是发动机在该场景下的利益攸关方)，然后采用用例图识别在该场景下的发动机外部交互对象，并定义其系统边界，如图7所示。

首先，从飞机制造方输入的顶层需求中识别飞机对发动机在该场景下的功能、性能、接口、环境等不同类型的需求；其次，捕获适航、国际标准等对发动机在地面起动的相关需求，形成第一轮的利益攸关方需求，如表2所示。

表2 航空发动机地面运行需求

根据利益攸关方需求建立发动机地面起动场景时序图，基于时序图定义发动机起动过程以及飞机、大气环境之间的详细交互关系与交互时序。首先，飞机给发动机提供上电信号，发动机进行上电自检测并将其状态反馈给飞机，自检测通过后，接收来自飞机的下一步指令，包括发动机起动按钮、油门杆角度、其他传感器信号(如大气状态、轮载信号等)；然后，发动机确定其起动模式，打开起动空气阀门接收来自飞机的压缩空气，带转涡轮进而带动发动机转动；完成发动机供油点火后，发动机转速达到地面慢车并稳定运行，退出地面起动场景。

通过时序图可以清晰地识别发动机的外部交互对象，并分析识别外部接口和参数，模型的执行过程可以验证相关逻辑是否自洽。如图8所示，在基于时序图识别出地面起动场景下，发动机与飞机的电气接口、机械接口和电源接口形成发动机整体(黑盒)与飞机系统之间的功能逻辑架构(内部块图)，基于XMI标准将该架构转换为系统性能架构，就可以进一步开展详细的性能建模。内部块图中可以定义详细的接口参数类型和阈值范围，例如飞机电源给发动机提供28 V直流电和115 V三相交流电。

另一方面，通过时序图可以分析发动机在各种场景中的功能性需求，包括外部接口功能和系统内部的顶层功能等。如图9所示，时序图中将发动机作为黑盒，可以识别出发动机在地面起动场景下需要具备接收飞机信号(IBD图中可以定义详细信号类型)、飞机供电等接口功能，还要具备自检测、确定起动模式、起动发动机等顶层功能。

通过以上过程完成需求建模，并建立需求与模型间的追溯关系，保障从需求到设计再到测试阶段的活动不失真。为了实现需求追溯及验证，可以在研制平台的需求管理模块中为需求条目创建相关视图，并增加验证方法、验证结果、实现期限等属性，同时为需求条目与SysML模型中的用例图建立关联和追溯。

2.2 功能分析

针对需求建模过程中通过时序图已经识别的发动机顶层功能，采用活动图进行功能分解，详细描述系统执行功能的过程流程，如图10所示。在活动图中，进一步将起动功能分解为起动机带转、点火、燃油计量、燃油分配、压缩气体分配等功能，然后采用行为事件(action)表示上述功能，采用对象流描述功能之间的关系，同时采用数值类型(valuetype)详细定义活动图的对象流中详细的交互对象，最终形成发动机功能分解和功能架构的基本结构。

2.3 逻辑架构建模

功能模型确定系统的行为，反映系统内在行为逻辑如何实现利益攸关方对系统能力的要求。然而在系统架构设计过程中，系统功能的实现需要具体的物理部件来承载，因此通过泳道划分来分配起动功能活动图中不同子功能的功能逻辑，如图11所示。不同的分配方式为不同的架构设计方案，系统工程师可以通过基于系统性能模型的仿真手段开展系统架构权衡分析，综合评估系统性能指标、可靠性、安全性、成本、开发周期风险、重量等方面的量化指标，进而获取最优架构方案。在完成功能分配后，可以采用IBD图详细定义系统的内部架构，如定义内部各逻辑实体之间的接口，如图12所示。

2.4 性能建模

完成功能逻辑架构设计后，需要进一步进行性能建模，开展性能分析评估。SysML语言仅支持系统的功能行为建模，无法对系统性能进行仿真，因此需要基于Modelica语言进行性能建模，支持气、电、液等多个专业的建模和仿真。本文基于XMI格式将SysML模型中的系统逻辑架构模型映射为性能架构模型，在物理性能架构中针对每个系统元素进行性能建模和联合仿真，从而验证系统架构设计的合理性和正确性。如图13所示，图中左上方的内部块图是发动机为黑盒时建立的发动机和飞机系统等外部接口的功能架构，左下方是发动机进行架构定义后的内部功能架构，右侧分别是在性能样机环境下开展的性能逻辑架构，设计人员可以在性能架构基础上对接口和部件内部进行详细的性能建模。

2.5 系统联合仿真验证

基于逻辑架构完成航空发动机的控制系统、燃油系统、滑油系统、控制系统和本体模型的性能建模后，开展整机联合仿真以及飞机模型在各场景下的飞机—发动机联合仿真。

根据利益攸关方需求，对地面起动场景进行仿真验证。在仿真验证中设置不同测试用例，即在不同测试工况下设置不同的仿真输入条件，以验证系统设计是否满足需求。最后通过仿真结果验证发动机起动逻辑和性能的正确性，需求验证过程如图14所示。

2.6 应用效果

应用本文提出的商用航空发动机MBSE设计方法，取得了以下5方面预期效果：

(1)产品需求质量提升 通过MBSE方法捕获航空发动机生命周期超过2 000个运动场景，对不同场景下不同利益攸关方的需求进行了分析和建模，以确保复杂系统的需求完整性，并且通过运行模型对功能逻辑进行验证，以确保复杂系统中功能设计的合理性和接口定义的完整性；以地面启动场景为例，捕获发动机整机级需求共52条，识别现有需求问题9项，建立用例图、时序图、活动图、状态机图、块定义图和内部块图等模型共18个，定义发动机级功能7项。在发动机起动场景的建模仿真验证过程中，识别出9项需求问题，1项设计问题。

(2)设计活动规范化 通过信息技术手段约束与规范设计流程引导和驱动整个设计过程，实现了设计流程的统一建模和监控，在此基础上对设计流程进行优化，实现了产品设计研发流程的可视化执行和管理，保证设计过程规范有序。

(3)设计数据可追溯 相比于基于Harmony-SE方法的航空发动机设计过程，本文提出的统一建模方法可以对不同阶段产生的设计数据和模型进行结构化管理，实现对数据的生命周期管理和有效追溯，从而复现设计过程，并重复利用历史方案。

(4)设计过程知识化 对设计研发的流程、方法、模型进行了固化，从而能够不断积累和重用设计过程的模型和数据，持续增强设计过程的知识储备，提高研发竞争力。

(5)设计效率高效化 通过规范化、结构化的模型大大降低文字带来的理解困难和歧义，降低了人为出错的可能性，显著提升了设计效率。

综上所述，面向运行场景的建模关注捕获复杂产品研制早期阶段的需求；MBSE方法关注复杂产品研制早期阶段的需求分析与管理，以及系统功能分析和系统设计综合，通过应用XMI转换模型实现定性与定量的基于同一架构统一建模，以及系统的最优设计和最优管理，达到对系统复杂性的提前识别、仿真、验证，推进航空发动机从“仿制式”研发向“预测式”研发转型。

3 结束语

本文研究了面向运行场景的商用航空发动机MBSE设计方法，主要贡献如下：①提出商用航空发动机基于MBSE系统的设计流程，面向航空发动机生命周期的运行场景开展功能分析和架构设计，确保系统需求捕获的完整性；②基于XML的元数据中间转换技术，实现从系统功能逻辑架构到物理性能模型的贯通，将需求、功能、系统架构、物理设计等各层级信息通过系统模型进行关联，实现模型和数据的完整闭环传递；③构建了基于MBSE的多专业联合仿真环境，在不同运行场景下，针对利益攸关方需求进行仿真验证，实现商用航空发动机需求的闭合验证；④通过实例应用表明，本文所提方法能够满足商用航空发动机的设计研发需要，可以高效开展复杂系统设计，并提前识别设计问题，减少重复试验。