飛機電氣系統(tǒng)的MBSE設計及仿真

朱素華 閆杰

摘 ? 要：隨著民用飛機系統(tǒng)復雜性的提升，以及對其安全性、可靠性的要求愈發(fā)嚴格，現代系統(tǒng)工程正逐漸向基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）轉變，建立符合用戶需求的仿真模型可以有效地解決傳統(tǒng)研制方法存在的質量低、周期長和花費大等問題。電氣系統(tǒng)作為民用飛機的關鍵系統(tǒng)之一，在飛機正常飛行中發(fā)揮著重要的作用。本文考慮電氣系統(tǒng)的可用性、完整性，采用 DOORS 和 Rhapsody 完成電氣系統(tǒng)設計的需求分析、功能分析和設計綜合，建立系統(tǒng)用例模型、功能流程和可驗證狀態(tài)機模型，構建了保證功能可用、安全的系統(tǒng)架構。最后，開發(fā)了面板圖交互界面，根據設計需求完成了系統(tǒng)模型的仿真驗證。

關鍵詞：基于模型的系統(tǒng)工程 ?電氣系統(tǒng) ?系統(tǒng)設計 ?仿真驗證

中圖分類號：V249 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）07（b）-0008-04

現代飛機向著更安全、環(huán)保和經濟的方向發(fā)展，這使飛機系統(tǒng)的設計變得越來越復雜。電氣系統(tǒng)（Electrical System，ES）作為現代飛機的安全關鍵系統(tǒng)之一，肩負飛機負載正常工作與飛行的重要任務，對其設計要求不斷提高。目前飛機系統(tǒng)設計中，普遍采用傳統(tǒng)的基于文本系統(tǒng)工程設計方法，以大量文字和圖片形式的文檔來描述設計思路。這些文檔通常在不同設計人員、設計部門、專業(yè)間傳遞，進行設計信息共享與協(xié)同。但是，隨著飛機系統(tǒng)規(guī)模和復雜程度的提高，基于文本的設計模式的劣勢也越來越明顯，存在著設計方案歧義、信息孤島和開發(fā)效率低等諸多問題[1]。基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based Systems Engineering，MBSE）能夠避免傳統(tǒng)系統(tǒng)工程設計的上述弊端，近年來得到了廣泛的重視和研究。

伴隨著多電飛機概念的提出和發(fā)展，對飛機電氣系統(tǒng)提出了新的要求。首先要有大容量、高功率密度、高效率的發(fā)電機、電機控制器、電源變換器和逆變器等發(fā)電和供電系統(tǒng)。其次是對于配電系統(tǒng)，要求能夠自動監(jiān)視、控制、保護，在正常和緊急狀態(tài)下，對負載進行切換和恢復。

本文針對民用飛機電氣系統(tǒng)，采用Rhapsody設計軟件，利用MBSE設計思路，完成電氣系統(tǒng)的仿真建模，模擬系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)和系統(tǒng)設計不同階段的電氣控制模塊，實現對電氣系統(tǒng)特性、控制功能及邏輯等的仿真和分析。

1 ?MBSE系統(tǒng)設計流程分析

在MBSE系統(tǒng)設計開發(fā)中，模型是設計過程的核心，并且模型在整個開發(fā)過程中不斷迭代和完善。如圖1系統(tǒng)總體設計流程圖所示，MBSE提供了一種有效的方法，將系統(tǒng)抽象為用例，圍繞用例進行開發(fā)，實施過程分為3個階段：需求分析、功能分析和設計綜合[2]。本文使用業(yè)界廣泛使用基于仿真建模平臺Rhapsody的SysML語言進行系統(tǒng)模型開發(fā)的需求分析、功能分析、設計綜合和仿真驗證。

需求分析的目的是將用戶需求轉化為系統(tǒng)需求。民用飛機系統(tǒng)需求主要有功能需求、安全性需求、附加適航需求和衍生需求，其中功能需求主要包括顧客需求、運行需求、性能需求、物理和安裝需求、維修性需求、接口需求等。需求分析階段主要得到電氣系統(tǒng)的需求模型和用例模型，用例模型主要描述外部參與者的行為以及外部參與者和內部系統(tǒng)用例之間的關系。與傳統(tǒng)方法相比，模型化結構可以快速定位需求變化，避免由需求變化引起的“蝴蝶效應”。

功能分析階段的輸入是需求分析階段輸出的用例模型，輸出為一個可執(zhí)行的用例模型[3]。從以下幾個維度對用例模型進行可執(zhí)行化翻譯：繪制活動圖用于描述系統(tǒng)功能實現流程、導出時序圖描述系統(tǒng)子模塊事件交互順序和創(chuàng)建狀態(tài)圖描述系統(tǒng)用例的動態(tài)行為。功能分析階段明確了頂層功能用例的大致內部邏輯以及交互行為，這一階段輸出的可執(zhí)行用例模型被稱為“黑盒”用例模型。

設計綜合是為整合功能分析階段的模型元素，并設計系統(tǒng)架構。設計綜合分為2個階段：架構分析和架構設計。架構分析階段通過一系列的系統(tǒng)權衡分析，尋求最優(yōu)架構設計方案。架構設計階段的重點是功能分析階段的“黑盒”用例模型逐步細化，展開為“白盒”模型，最終把用例白盒模型集成到系統(tǒng)架構中。

2 ?電氣系統(tǒng)的MBSE設計

Rhapsody是IBM公司的一款系統(tǒng)建模工具，它具有從系統(tǒng)設計到軟件設計無縫連接，自動生成模型代碼，自動按照規(guī)定的格式和要求生成設計文檔，支持系統(tǒng)需求管理，系統(tǒng)架構設計和系統(tǒng)模型驗證等諸多功能，滿足電氣系統(tǒng)建模的軟件要求。因此在本次建模設計，選擇Rhapsody作為MBSE仿真設計平臺，使用SysML語言實現ES整體模型設計[4]，本文接下來將從需求分析、功能分析和設計綜合三個階段介紹具體ES建模流程。

2.1 需求分析

ES的需求分析，主要包含需求獲取和需求到用例的分配與追溯兩個步驟。

（1）需求獲取。

ES用戶需求來源于設計師收集整理的ES功能方面要求和指標，也包含了如安全性和飛機適航等附加需求。

設計者依據電氣系統(tǒng)的知識，分析已整理完善的用戶需求，將其細化分解，梳理出的民機電氣系統(tǒng)的應該具備的功能、系統(tǒng)和部件，得到層次分明并且結構完整的系統(tǒng)功能需求。然后將用戶需求和功能需求以文本的方式錄入DOORS中，方便整理和完善。在后續(xù)的模型設計中，為了保證需求良好的追溯性，需要在DOORS中，將用戶需求文檔和系統(tǒng)功能需求文檔逐級逐條對應關聯。需求關聯后，在整個設計周期都可以查看系統(tǒng)的需求對應關系。

（2）關聯功能性需求到用例。

完成需求內部關聯后，需要以SysML用例模型的形式將需求分析結果展現。用例模型是從某一特定的功能方面對系統(tǒng)描述，根據功能需求分析結果，在SysML模型用例圖設置對應的功能用例，確定兩個功能用例之間以及用例和外部角色之間的關系，并將這些關系繪制在用例圖中。DOORS的需求分析結果和Rhapsody的用例模型整理完畢后，兩者還是獨立模塊，需要利用Rhapsody Gateway把ES需求分析文檔從DOORS導入Rhapsody工程中，并通過《trace》追蹤關系的方式，逐條鏈接需求文檔與功能用例，從而實現整個設計過程的需求追蹤和管理[5]。

2.2 功能分析

ES功能分析階段，即為黑盒模型階段，設計者基于前一階段的供電和配電用例分析系統(tǒng)功能，得到功能用例應具備的靜態(tài)架構、屬性特征和狀態(tài)變化等關鍵特性;然后基于功能用例的關鍵特性，從靜態(tài)結構和動態(tài)行為兩個方面，把每個頂層功能用例轉化成可執(zhí)行模型。

（1）黑盒靜態(tài)結構模型。

黑盒靜態(tài)結構模型是對頂層用例的屬性、操作和狀態(tài)進行描述。首先根據頂層用例，定義用例模型的上下文，此時僅為初步的內部模型圖（IBD），部件無端口。再創(chuàng)建用例之間以及用例與外部參與者之間的事件和數據接口。根據控制邏輯和事件發(fā)送，完成部件的互相連接，即構成用例靜態(tài)模型。供電模塊主要負責飛機的電源供應工作。飛機檢查飛機發(fā)電機的狀態(tài)，接收來自駕駛員（Pilot）的控制指令;通過液壓模塊（Hydraulic）進行發(fā)動機啟動控制;接收顯示系統(tǒng)（Display）顯示關鍵部件的狀態(tài)信息，進行飛機供電設備的調整，更改供電模式，保證飛機負載的正常供配電與工作。

（2）黑盒動態(tài)行為模型。

黑盒動態(tài)行為建模，即建立SysML活動圖，時序圖和狀態(tài)圖，從系統(tǒng)的活動流程和狀態(tài)行為兩方面對ES進行詳細的描述。以供電系統(tǒng)為例，首先根據黑盒靜態(tài)結構的操作屬性，定義供電用例具體功能流，得到供電用例活動圖，再根據活動圖的事件交互導出序列圖描述的用例場景。最后以事件驅動，從狀態(tài)行為的維度描述供電用例部件的具體狀態(tài)變化。以上的內部模塊圖，活動圖時序圖和狀態(tài)圖共同組成了ES供電用例的可執(zhí)行模型。

2.3 設計綜合

功能分析階段的黑盒模型，完成了ES頂層架構的分析設計。設計綜合需要以黑盒模型為基礎，把頂層功能用例細化分解成子系統(tǒng)/部件進行權衡分析，定義具體功能部件，并分配相應的系統(tǒng)功能性需求到系統(tǒng)子部件，設計各子系統(tǒng)的操作，狀態(tài)行為，以及子系統(tǒng)內部與系統(tǒng)外部的交互關系，此階段即為白盒階段。

設計綜合階段實際上是針對每個子用例詳細設計，將黑盒視圖細化展開為白盒視圖。該階段具體實現流程與前一階段十分類似，本小節(jié)依然按照靜態(tài)結構和動態(tài)行為兩個維度對設計綜合階段產出的模型進行介紹。

（1）白盒靜態(tài)結構模型。

在功能分析階段中，已經將ES的頂層架構劃分為兩個功能用例（供電、配電功能用例），而在ES設計綜合階段，需要逐個針對頂層功能系統(tǒng)進行細分，并按照邏輯設計其與頂層系統(tǒng)或子部件的關系。與黑盒靜態(tài)模型相比，將頂層供電用例細分為主電源（Main Power Supply）、輔助電源（APU）、緊急供電部件（Emergency Power Supply）、蓄電池供電系統(tǒng)（Battery Supply）和重要供電模塊（Essential Power Supply）5個子部件，如圖2所示。由圖2可知子部件之間有著復雜的交互關系，而且供電系統(tǒng)與外部參與者之間的交互關系連接到了具體的供電部件。

（2）白盒動態(tài)行為模型。

白盒動態(tài)行為模型依舊從活動圖，時序圖和狀態(tài)圖三個維度進行描述。如圖3供電用例白盒活動圖所示，利用泳道將供電用例的操作劃分到各子部件中，每個泳道內的活動流與分解的子部件相對應。由白盒泳道活動圖可以導出供電白盒時序圖，定義供電子部件數據端口，描述事件交互順序的用例場景。供電白盒狀態(tài)圖不同于黑盒視角，需要對每個供電子用例，分別建立其狀態(tài)圖用以描述其狀態(tài)行為，而且不同狀態(tài)圖之間需要通過事件和參數的變化完成整個供電功能的實現。采用上述方法實現所有功能用例之后，應該整合整個系統(tǒng)模型，得到完整的民機電氣系統(tǒng)架構。

3 ?系統(tǒng)可視化仿真驗證

在完成電氣系統(tǒng)建模后，還需要驗證ES模型的功能、邏輯、行為是否滿足設計要求。在設計仿真驗證時，采用Rhapsody自帶的面板圖功能，設計交互界面，通過界面按鈕快速地向模型發(fā)送事件，同時通過界面顯示燈接收模型反饋的數據并進行實時顯示，從而使設計者準確及時地獲得模型的狀態(tài)信息，便于驗證ES模型的邏輯架構。下面以緊急供電為例介紹介紹。

當LVFG、RVFG、APU均無法正常供電時，進入緊急供電模式，顯示界面的配電負載，只有關鍵的直流負載繼續(xù)供電，一般交流負載都停止工作，降低飛機電耗，保證關鍵設備的電能充足。圖4為RAT緊急供電交互界面，此時RAT系統(tǒng)仍對蓄電池發(fā)出供電指令，重要供電模塊的飛控系統(tǒng)參數開始重復變化，在顯示界面發(fā)送警報指令，提醒駕駛員。而在RAT故障或空速沒達到要求時，RAT失效，RAT子系統(tǒng)發(fā)送緊急信號給蓄電池系統(tǒng)，蓄電池開始放電，為飛機關鍵設備供電，此時重要供電系統(tǒng)檢測到系統(tǒng)電流通道狀態(tài)發(fā)生變化，交互界面的供電類型變?yōu)榫o急供電。

本文只針對民機電氣系統(tǒng)的供電系統(tǒng)進行了詳細的介紹，首先配電系統(tǒng)的整體設計方案與供電模塊一致，而且配電系統(tǒng)模塊內部的交互信息和狀態(tài)變化，均可由可視化界面仿真驗證其設計效果。

4 ?結語

電氣系統(tǒng)作為民機機電系統(tǒng)的重要組成部分，而采用基于文本的系統(tǒng)工程設計民機電氣系統(tǒng)存在質量低、周期長和花費大等諸多缺陷，因此研究電氣系統(tǒng)的MBSE設計對實現飛機全機系統(tǒng)模型化設計具有重要意義。在此背景下，本文基于Rhapsody仿真平臺采用SysML建模語言，結合電氣系統(tǒng)物理架構，建立了完整的電氣系統(tǒng)的模型設計及仿真驗證方案，開發(fā)民機電氣系統(tǒng)仿真模型，制定適用的仿真建模規(guī)范，希望能為之后的飛機復雜系統(tǒng)的模型設計研發(fā)提供有效的參考依據。

參考文獻

[1] 王崑聲，袁建華，陳紅濤，等.國外基于模型的系統(tǒng)工程方法研究與實踐[J].中國航天，2012（11）：52-57.

[2] 吳穎，劉俊堂，鄭黨黨.基于模型的系統(tǒng)工程技術探析[J].航空科學技術，2015，26（9）：69-73.

[3] 劉興華.飛行控制系統(tǒng)數字化設計技術研究[D].南京航空航天大學，2011.

[4] 劉宇，金鑫.基于Rhapsody的綜合航電火控系統(tǒng)圖形化設計研究[J].電光與控制，2019，26（3）：89-96.

[5] 張紹杰，李正強，海曉航，等.基于MBSE的民用飛機安全關鍵系統(tǒng)設計[J].中國科學：技術科學，2018，48（3）：299-311.