面向SysML的雷达系统模型通用框架构建与实践

李源 赵媛媛 张然 鲁扬

（北京无线电测量研究所， 北京， 100854）

引言

MBSE 是一种采用统一模型语言描述系统的要求和架构， 以支持产品生命周期系统工程跨多学科实现的技术方法[1]。 系统架构作为系统特性的描述维度， 定义一个待开发或已开发系统及其各组成部分的需求、 结构、 行为、 参数等特性及其相互静态、 动态关系， 用于描述系统及其组成部分如何集成和相互影响， 共同实现系统任务， 阐明系统的要求、 使用方案和技术方案。

MBSE 技术主要通过SysML[2]实现， 它是基于统一建模语言 （Unified Modeling Language，UML） 扩展形成的一种面向对象的图形化建模语言， 可通过视图、 表格和矩阵及其语义元素构建模型。 通常描述的对象包括系统、 组成部分、 运行环境， 可以一直细分到所需要的层次。 例如， 可从雷达的使用场景开始， 逐级构建系统级、 分系统级、设备级产品乃至组件模块的模型， 并将它们关联集成在一起。 一般雷达系统模型的SysML 视图总量可达到上千张， 模型元素总数高达几十万个。 面对如此庞大的建模工作量， 如何帮助不同建模人员在统一的范式和标准下， 对各层级系统的模型进行快速协同设计， 大幅度提高建模效率是系统建模过程中重要的一步， 也是规范建模成果的关键一环。

在MBSE 模式下， 雷达系统基于SysML 的各层级、 各类型系统需求定义与架构定义的过程主要包括： ①对模型重用库的选用和导入。 ②在此基础上通过对库元素特征化和补充自建元素来建立雷达系统模型。 ③结合雷达系统MBSE 的实施推广经验， 不断加以修正、 优化、 完善， 逐步形成面向SysML 的雷达系统模型通用框架。

1 SysML 模型

SysML 模型主要侧重于描述雷达系统的需求维度和功能逻辑维度， 包括系统及其组成部分的要求、 使用方案以及运行环境等。 其主要作用是阐明、 模拟和追踪复杂系统及其组成部分是如何联合、 交互工作的， 以逐级满足其顶层需求。SysML 模型按内容与用途分为需求、 行为、 架构、 仿真等4 类模型。

1.1 需求模型

需求模型是系统架构、 验证与确认的基础和依据。 需求一般可分为利益攸关者需求和系统需求，以表格的形式存储在建模工具中， 用于增强设计师对复杂系统所需功能、 性能及结构的理解， 增进与利益攸关者之间的交流， 减少可能的误解和理解偏差。 同时， 利益攸关者需求和系统需求以派生矩阵的形式进行关联追溯， 一旦利益攸关者需求发生变化， 可以利用建模工具有效地进行变更影响域分析， 及时对系统需求和后续设计做出改变或调整，从而降低对项目成本和进度的影响。

1.2 行为模型

SysML 通过用例图、 状态机图、 活动图、 顺序图、 参数图等来描述系统及其组成部分的静态、动态行为， 它们的侧重点各不相同， 但都用于表达系统的功能。 “用例图” 通过描述利益攸关者和系统自身的相互作用， 定义系统的顶层服务；“状态机图” 主要描述系统在响应特定事件时状态之间发生的转换关系； “活动图” 描述系统行为动作的控制流程， 关注事件、 能量和数据在这些动作中的流动， 类似于传统的流程图； “顺序图”主要描述系统是如何与其他系统进行交互操作和信号传递； “参数图” 主要描述系统的技术指标，采用等式或不等式约束关系， 支持性能仿真分析。

1.3 架构模型

架构模型主要用于描述系统的逻辑架构、 物理架构及其内部结构的接口关系。 SysML 提供了2种图 （模块定义图和内部模块图） 来描述系统的组成关系。 “模块定义图” 用来描述系统和系统基本结构元素之间的组成关系， 但不会显示内部的连接关系； “内部模块图” 用来描述系统内部组成部分之间的关系和它们之间的接口。

1.4 仿真模型

建模工具可以将其他格式的模型、 数据和程序统一集成封装到SysML 仿真模型中， 对系统进行动态仿真分析， 用于系统的测试、 分析、 优化和评估。 另外， 仿真模型中的虚拟交互界面可以让利益攸关者模拟操作复杂装备， 展现不同场景下系统的工作流程， 实现系统的早期验证。 常用仿真模型包括三维结构模型、 定量分析模型、 故障树分析模型等。

2 模型重用库

面向SysML 的模型重用库是针对具体专业领域的需要构建的、 用于共享重用的SysML 模型库。 雷达系统及其组成部分通常具有已知或潜在的三化用途， 需求和架构在不同项目之间通常具有较大比例的继承性， 因此构建的SysML 模型一般都有较大可能转化到模型重用库中使用。

模型重用库的作用是将标准／规范、 货架产品以及经一定范围认可的知识和技术等通过构建为重用库而加强推广应用或贯标实施， 减少重复要素在不同模型中表达的差异性和可能出错的概率， 统一具体专业领域内部或协作方之间模型表达的技术共识。

2.1 按内容用途分类

模型重用库依据正交性、 实用性、 可拓展性等原则， 按内容用途划分为术语概念库、 通用行为库、 变量单位库、 算法约束库、 通用实体库等， 常见的模型重用库见表1。

表1 常见的模型重用库

2.2 构建方法

为了有效简化建模工作、 复用概念知识、 加强三化设计， 按照模型重用库的分类原则， 将专业领域内通用的和经常重复使用的模型元素封装集成， 以雷达专业领域为例， 其模型重用库如图1所示。

图1 雷达系统模型重用库示意图

图1 中， 同一类型、 领域或主题的模型重用库， 可采用并列或多级包的形式构建在一个库文件中， 并通过构建多级库文件使其集成在一起形成雷达系统模型重用库。 为了避免单个库文件过大， 重用库的分支库可按照模型元素的类型进行第一步划分。 例如， 通用接口库可划分为3 个分支库： 逻辑接口、 物理接口、 常用信号， 下一层级再按照模型元素的内容进行第二次划分。 例如， 逻辑接口分支库可划分为用于供电、 通讯交互等的接口， 有助于建模人员进行快速查找和检索， 也便于后续重用库的扩展。 建模人员可根据新建模型元素的类型或内容依次对其进行扩充，该模型重用库的构建方法同样适用于其他专业领域。

3 模型通用框架

雷达系统模型一般按方法论中的需求分析、架构设计、 仿真验证等流程进行逐级构建， 但由于模型种类较多， 涉及不同系统、 不同系统层级的人员协同构建， 因此， 在所有模型构建前应先形成一个标准／规范的模型通用框架， 在后续协同构建和迭代过程中， 可在模型重用库的基础上，按照统一的范式对模型的不同部分进行分别细化和创建， 实现多个模型向一个模型集成。

3.1 构建原则

模型通用框架应按照完整性、 协同性和最大化原则进行构建， 能够覆盖方法论中的需求分析、 架构设计、 仿真验证等多个流程， 支持不同组织和建模人员对系统模型的快速协同设计， 同时兼容不同系统及系统层级人员的建模需求。

a） 完整性原则

模型按系统层级分类， 可分为系统级、 分系统级、 设备级等产品模型。 产品模型一般按照“利益攸关者需求分析—系统需求与功能分析—系统逻辑架构设计—系统需求与架构仿真验证—系统物理架构设计” 的流程顺序进行模型构建。模型通用框架应对系统所有层级产品执行各流程活动时所构建的模型进行全覆盖， 确保模型的完整性。

b） 协同性原则

针对同一系统的模型元素一般应在该系统所属的包中建模。 该系统所属的分系统级、 设备级等产品模型应以多级包的形式存储在系统模型所属的包中， 而同一层级的产品模型因为由不同组织和建模人员负责， 应以并列包的形式区分存储在系统模型所属的包中， 便于不同建模人员协同构建。

c） 最大化原则

模型通用框架以最大化原则覆盖系统需求分析和架构定义过程的全部模型成果， 不同系统层级人员可根据自身专业研制特点， 对系统流程活动所输出的模型成果进行部分剪裁。

3.2 构建方法

模型通用框架的构建有助于在模型重用库的基础上， 通过对库元素特征化和补充自建元素进行协同构建， 着重于模型整体结构的形成， 规范每部分构成的模型成果。 面向SysML 的雷达系统模型通用框架主要分为两大部分， 一部分为雷达系统模型重用库， 另一部分为基于重用库建设的雷达系统需求和架构模型， 如图2 所示。

图2 雷达系统模型通用框架示意图

雷达系统模型重用库依据不同专业领域可划分为雷达、 天线、 伺服等专用的模型重用库， 各专业领域模型库可根据自身专业特点分别建立术语概念、 算法约束、 行为、 接口、 实体等通用模型库， 有助于不同设计师在建模时采用一致的范式， 也便于模型元素的集中管理和分类检索。

雷达系统需求和架构模型重点覆盖的是产品生命周期中的系统立项论证阶段和方案设计阶段， 按流程活动划分， 主要包括5 个部分的模型要素： 利益攸关者需求分析、 系统需求与功能分析、 系统逻辑架构设计、 系统需求与架构仿真验证、 系统物理架构设计。 各层级产品模型可同样按照这5 个流程依次构建， 内容较为简单的产品模型可根据研制特点剪裁部分模型要素。

a） 利益攸关者需求分析

利益攸关者需求分析模型由 “利益攸关者”“场景分析” “任务剖面” “运行环境” 和 “利益攸关者需求” 组成。 其中， “利益攸关者” 中定义影响雷达活动或结果的系统、 人员或组织；“场景分析” 中定义雷达系统在正常／异常工况下的工作时序； “任务剖面” 中定义雷达系统的状态转换关系、 功能逻辑行为和关键技术指标；“运行环境” 中定义雷达系统与外部系统或人员的接口交互关系； “利益攸关者需求” 中定义雷达系统的条目化的利益攸关者需求。

b） 系统需求与功能分析

系统需求与功能分析模型由 “用例分析”“系统需求” “需求追溯” 组成。 其中， “用例分析” 中定义雷达系统提供的顶层服务， 采用活动图细化用例， 定义系统功能； “系统需求” 中定义雷达系统的条目化系统需求； “需求追溯”中定义雷达系统用例与利益攸关者需求的满足关系、 利益攸关者需求与系统需求的派生关系。

c） 系统逻辑架构设计

系统逻辑架构设计模型由“逻辑视图” “逻辑实体” “指标权衡分析” 组成。 其中， “逻辑视图” 中定义雷达系统的功能架构图、 逻辑架构图、内部逻辑接口关系图和技术指标分解参数图； “逻辑实体” 中定义雷达系统各逻辑组成部分的状态转换关系、 功能逻辑行为和技术指标； “指标权衡分析” 中通过实例表比较判断不同方案之间的技术指标是否满足要求， 并进行权衡分析获得最佳方案。

d） 系统需求与架构仿真验证

系统需求与架构仿真验证模型由 “仿真架构” “仿真界面” “仿真实例” 组成。 其中，“仿真架构” 中根据雷达系统描述模型逻辑架构，融合专业领域模型， 再次定义雷达系统的仿真型逻辑架构， 实现对系统变量的查询、 改变、 添加等操作， 用于需求与架构的仿真验证； “仿真界面” 中定义雷达系统的仿真界面和仿真工作过程， 辅助仿真型逻辑架构实现面板显示、 人机操控、 故障模拟等功能； “仿真实例” 中定义雷达系统及其逻辑组成部分的变量初值。

e） 系统物理架构设计

系统物理架构设计模型主要由 “物理视图”“物理实体” “指标权衡分析” 组成。 其中， “物理视图” 中定义雷达系统的物理架构图、 内部物理接口关系图， 并将逻辑架构映射到物理架构； “物理实体” 中包括雷达系统技术设计阶段定义的新研产品以及所选用的三化产品、 通用件、 外购件等系列化的产品模型； “指标权衡分析” 中通过实例表比较不同技术方案之间的技术指标、 成本、 研制周期等因素是否满足要求， 进行权衡分析获得最佳技术方案。

4 结束语

随着模型驱动的新型研发模式在越来越多雷达系统上的推广应用， 航天标准化作为航天 “软实力” 的重要组成部分， 是固化技术、 形成优势、 降本增效的关键环节。 为提高雷达系统模型的完整性、 协同性和规范性， 减少重复要素在不同模型中表达的差异性和可能出错的概率， 开展雷达系统模型重用库的规划和建设， 运用模型通用框架的构建原则和方法， 构建模型通用框架，在提高雷达系统的建模效率， 增强数字模型的完整性、 协同性和规范性， 减少重复要素在不同模型中表达的差异性和可能出错的概率的同时， 为雷达系统MBSE 标准化的实施落地提供参考。