专利名称：一种机载系统数字化设计验证系统及方法
技术领域：
本发明涉及飞机机载系统设计领域，具体涉及一种机载系统数字化设计环境及方法，属系统工程技术领域。
背景技术：
飞机机载系统是一类典型的复杂反应式系统，其传统设计方法是一种文档驱动式设计方法，其缺点是在机载系统物理样机实现之前设计人员无法对设计方案进行运行评估，因此设计方案中可能存在很多歧义和错误，而这些歧义和错误只能等到系统后期集成时才发现，此时修改这些歧义和错误的代价是巨大的。数字化设计是解决传统文档驱动式设计方法不足的一把利剑。其技术内涵是通过在工程物理样机制造之前先构造系统虚拟样机并进行仿真验证的方式来消除设计方案及决策的歧义和错误，避免后期工程物理样机研制出现反复。相比于机械系统等领域，机载系统是一种涉及机械、电子、计算机、控制和软件等多领域的复杂反应式系统，其虚拟样机设计存在很多困难。国内外很多研究机构都曾进行了研究尝试，如航天二院李伯虎等人研究了一种基于单领域仿真模型的虚拟样机技术，通过在工程物理样机制造之前构造由各单领域模型集成的虚拟样机并进行仿真验证，消除设计方案中的歧义和错误，避免后期工程物理样机研制出现问题。这种基于单领域模型集成的虚拟样机设计技术在一定程度上解决了传统文档驱动式设计方法中存在的不足。但这种方法本身仍然存在一个重大不足，即该虚拟样机设计层次较低，对设计早期的需求分析、方案设计及评估等阶段不能提供的支持，因此导致早期的需求分析、方案设计及评估仍然是文档驱动式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对当前机载系统研制所采取的“先设计实现后验证”方式造成的周期长、成本高、风险大等问题，提供一种机载系统数字化设计验证系统及方法，使设计人员在机载系统物理样机实现之前即能在数字化环境中对机载系统设计方案进行分析、测试及评估，确认其运行正确且满足用户需求，实现机载系统的“先设计验证然后再实现”。本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种机载系统数字化设计验证系统，包括顶层数字化设计系统、领域工程层次数字化设计系统；其中，
所述顶层数字化设计系统包括需求分析模块、顶层分析设计模块、顶层模型测试与验证模块；其中，需求分析模块根据用户需求知识库生成系统需求模型和系统用例模型，然后发送至顶层分析设计模块；顶层分析设计模块基于图形化设计建模语言SysML与Simulink 进行机载系统顶层的分析、设计，得到机载系统概念样机；顶层模型测试与验证模块用于对机载系统概念样机进行仿真验证；
3所述领域工程层次设计系统包括各单领域分析设计模块、各单领域测试与验证模块、 多领域协同设计模块及多领域模型仿真验证模块；其中，各单领域设计模块以机载系统概念样机中的各对应领域模块为依据，分别采用各领域工具进行面向实现的领域分析设计与建模，经过各单领域测试与验证模块测试、验证后得到领域工程模型；多领域协同设计模块基于领域工程模型构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机，并通过多领域模型仿真验证模块进行测试与验证。本发明还提供一种机载系统数字化设计验证方法，包括机载系统概念样机设计步骤、机载系统虚拟样机设计步骤，其中
所述机载系统概念样机设计步骤包括
Al)需求分析步骤，基于SysML需求图与用例图对机载系统的需求进行分析、分解和精化，建立系统需求模型与系统用例模型；
A2)系统分析步骤，采用SysML需求图对系统用例模型中的用例进行分析，得出机载系统具有的关键特征，建立系统用例可执行模型和系统顶层模型；
A3)系统设计步骤，根据系统用例可执行模型设计机载系统架构，并基于系统顶层模型设计机载系统详细架构模型，得到使用SysML块定义图、内部块图、状态图和Simulink表达的机载系统概念样机；
A4)系统测试验证步骤，对A3)步骤得到的机载系统概念样机进行测试与验证，确认满足用户需求；
所述机载系统虚拟样机设计步骤包括
Bi)领域分析与设计步骤，依据机载系统概念样机使用各领域工具进行面向实现的领域分析、设计及建模，得到各领域工程模型；
B2)领域模型集成及验证步骤，基于各领域工程模型构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机，并进行测试与验证，确认同机载系统概念样机保持一致，即满足用户需求。本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果
本发明支持机载系统的数字化分析、设计与验证，实现机载系统的“先设计验证后实现”，避免传统设计方法中“先设计实现后验证”造成的周期长、成本高、风险大等问题。
图1为本发明所涉及的机载系统数字化设计验证系统结构图。图2为本发明所涉及的机载系统数字化设计验证方法的流程示意图。图3为本发明所涉及的机载系统顶层数字化设计中的需求分析过程示意图。图4为本发明所设计的机载系统顶层数字化设计中的系统分析过程示意图。图5为本发明所设计的机载系统顶层数字化设计中的系统设计过程示意图。图6为本发明所涉及的机载系统虚拟样机设计验证系统结构图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。如图1所示，机载系统数字化设计系统由顶层数字化设计系统、领域工程层次数字化设计系统组成。其中顶层数字化设计系统包括需求分析模块、顶层分析设计模块、顶层模型测试与验证模块；领域工程层次设计系统包括各单领域分析设计模块、各单领域测试与验证模块、多领域协同设计模块及多领域模型仿真验证模块。顶层数字化设计系统根据用户需求生成机载系统概念样机，领域工程层次数字化设计系统以机载系统概念样机为依据，采用各领域工具进行面向实现的领域分析设计与建模，经过测试验证后得到机载系统虚拟样机。如图2所示，机载系统数字化设计验证方法包括机载系统概念样机设计，机载系统虚拟样机设计两个步骤，其中前者包括机载系统需求分析，系统分析与系统设计等三个子步骤。这里通过介绍一个典型任务来说明本发明的具体实施方式
。功能1 机载系统需求分析、管理与确认，如附图3所示。支撑模块需求分析模块。该模块的输入数据来自于用户需求(涉众需求)知识库；输出数据为机载系统确认的需求，作为机载系统的系统分析输入之一。首先，对涉众需求进行精化、分析及分解，得到系统需求，同时建立涉众需求之间、系统需求与涉众需求之间、涉众需求之间的关联关系， 得到系统需求模型；然后，基于系统需求导出系统用例及参与者，建立系统用例图，并建立功能性系统需求与用例之间的关联，得到系统用例模型。需求分析阶段的输出是系统需求模型与系统用例模型。功能2 机载系统的系统分析与确认，系统结构与功能划分，如附图4所示。支撑模块顶层分析设计模块。该模块的输入数据来自于机载系统的需求分析所确认的机载系统需求；输出数据为机载系统的顶层模型，作为机载系统各机载系统成件模拟器设计输入之一。首先，针对系统用例模型中的各个用例逐一建立用例可执行模型(黑盒)，其中包括描述用例及参与者行为的活动图、状态图以及描述用例(代表系统)与参与者之间交互的场景顺序图。通过三种行为图可以对参与者与系统之间的交互进行详细的设计，并通过仿真分析验证用例背后的系统需求及涉众需求，对系统需求模型进行升级，得到升级版的系统需求模型。在添加行为图的过程中根据行为描述需要及非功能性系统需求为用例及参与者添加必需属性、操作、event/rec印tion对、Port、Interface以及各种关联等特性，由此得到黑盒可执行用例模型。然后，对上一子阶段建立的可执行用例模型进行一致性检查，确保各个不同用例中对同一系统特性的描述一致，在经过一致性检查结束后即可合并各用例的特性得到机载系统应具备的全部特性，即系统顶层模型。同时要建立各系统特性与系统需求(包括功能性及非功能性)之间的关联，且保证各特性及系统需求都被覆盖。系统分析阶段的输出是可执行系统用例模型(黑盒)和系统顶层模型。功能3 各机载系统成件模拟器设计。支撑模块顶层分析设计模块。传感器和飞行控制计算机的离散部分(即逻辑部分)利用SysML语言进行设计， 飞行控制计算机的连续部分(即控制律部分)、飞行器动力学模型以及舵机组的设计都利用 Simulink进行设计；以SysML语言提供的块定义图、内部块图、状态图等来设计飞行控制计算机的离散部分(即逻辑部分)，结合在Simulink中设计的飞行控制律部分共同构成完整的飞控计算机模型。
功能4:机载系统的系统级设计与仿真，得到机载系统概念样机，如附图5所示。支撑模块顶层分析设计模块，顶层模型测试与验证模块。本模块的输入数据来自于各机载系统成件模拟器设计的输出；输出数据即为概念样机的模型，作为机载系统虚拟样机下层即实现样机的输入数据；该设计阶段可分为两个子阶段。第一子阶段是系统架构分析与架构设计。该阶段首先分析系统顶层模型中的所有系统操作，并对其进行分组归类得到若干组关键系统功能。分组的原则是该组内的所有操作可由同一物理部件提供(实现)；然后，基于WOM方法逐个确定各个关键系统功能架构，得到子系统级的系统架构；最后，将系统特性(包括属性、操作、event/reception)分配给各子系统。系统特性的分配既可手动也可基于白盒可执行用例模型进行。白盒可执行用例模型是由黑盒可执行用例模型中的活动图和顺序图分解后得到。前者是指将用例(代表系统)的活动图按照系统架构分解为若干泳道(Swimlane)，并将活动图的活动分配到各个泳道中， 后者是指将顺序图中的用例依据系统构架分解为若干子系统并重新分配原顺序图中中的 event/rec印tion对和操作。系统架构层次的分解可根据实际需要进行，直至架构中的最小单元级别满足样机设计需要。第二子阶段工作是详细结构设计。首先是建立各层次子系统之间、子系统与系统之间的port、interface和flowport，实现子系统之间的指令流和数据流描述；其次，为子系统(单元)模块添加行为图。系统设计的输出是白盒可执行用例模型、系统架构分析模型和系统概念模型。其中系统概念模型即为系统概念样机。在Miapsody软件中以SysML提供的块定义图、内部块图、状态图等为基础，结合Matlab软件中的Simulink模块对机载系统进行系统设计，建立从结构、功能、行为及性能等角度描述机载系统概念样机；其中SysML 中的块定义图、内部块图等描述概念样机静态结构，状态图等描述概念样机动态行为。功能5 机载系统的领域分析、设计及仿真验证。支撑模块领域工程层次设计系统，如附图6所示。本模块的输入是顶层数字化设计分环境的最后输出一一机载系统概念样机。首先，以概念样机中的各模块为依据，分别采用各领域工具进行面向实现的领域分析、设计、 建模及验证，得到领域工程模型；所述各领域包括机械领域、软件控制领域、电气领域等等， 对应的设计环境分别包括液压作动器设计分环境、飞控软件设计分环境、电气鸵机设计分环境、光学侦察相机设计分环境等等，各设计分环境对应的设计模型对应图6中的虚线框所示。然后，基于领域工程模型以软总线方式构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机， 并进行测试与验证，确认同概念样机保持一致，即满足用户需求。以上仅为本发明的一个较佳实施例，上述内容中未详细展开描述的技术方案均为本技术领域的常规手段，任何对于本发明的技术方案作出的等同替换，均在本发明的公开范围内。
权利要求
1.一种机载系统数字化设计验证系统，其特征在于，包括顶层数字化设计系统、领域工程层次数字化设计系统；其中，所述顶层数字化设计系统包括需求分析模块、顶层分析设计模块、顶层模型测试与验证模块；其中，需求分析模块根据用户需求知识库生成系统需求模型和系统用例模型，然后发送至顶层分析设计模块；顶层分析设计模块基于图形化设计建模语言SysML与Simulink 进行机载系统顶层的分析、设计，得到机载系统概念样机；顶层模型测试与验证模块用于对机载系统概念样机进行仿真验证；所述领域工程层次设计系统包括各单领域分析设计模块、各单领域测试与验证模块、 多领域协同设计模块及多领域模型仿真验证模块；其中，各单领域设计模块以机载系统概念样机中的各对应领域模块为依据，分别采用各领域工具进行面向实现的领域分析设计与建模，经过各单领域测试与验证模块测试、验证后得到领域工程模型；多领域协同设计模块基于领域工程模型构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机，并通过多领域模型仿真验证模块进行测试与验证。
2.一种机载系统数字化设计验证方法，其特征在于包括机载系统概念样机设计步骤、机载系统虚拟样机设计步骤，其中所述机载系统概念样机设计步骤包括Al)需求分析步骤，基于SysML需求图与用例图对机载系统的需求进行分析、分解和精化，建立系统需求模型与系统用例模型；A2)系统分析步骤，采用SysML需求图对系统用例模型中的用例进行分析，得出机载系统具有的关键特征，建立系统用例可执行模型和系统顶层模型；A3)系统设计步骤，根据系统用例可执行模型设计机载系统架构，并基于系统顶层模型设计机载系统详细架构模型，得到使用SysML块定义图、内部块图、状态图和Simulink表达的机载系统概念样机；A4)系统测试验证步骤，对A3)步骤得到的机载系统概念样机进行测试与验证，确认满足用户需求；所述机载系统虚拟样机设计步骤包括Bi)领域分析与设计步骤，依据机载系统概念样机使用各领域工具进行面向实现的领域分析、设计及建模，得到各领域工程模型；B2)领域模型集成及验证步骤，基于各领域工程模型构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机，并进行测试与验证，确认同机载系统概念样机保持一致，即满足用户需求。
全文摘要
本发明公开了一种机载系统数字化设计验证系统与方法，属系统工程技术领域。本发明的系统包括顶层数字化设计系统、领域工程层次数字化设计系统，其中顶层数字化设计系统包括需求分析模块、顶层分析设计模块、顶层模型测试与验证模块；领域工程层次设计系统包括各单领域分析设计模块、各单领域测试与验证模块、多领域协同设计模块及多领域模型仿真验证模块；本发明的方法包括机载系统概念样机设计、机载系统虚拟样机设计两个步骤，其中前者包括机载系统需求分析，机载系统系统分析与机载系统系统设计等三个子步骤。本发明支持机载系统的数字化分析、设计与验证，实现机载系统的“先设计验证后实现”，避免传统设计方法中“先设计实现后验证”造成的周期长、成本高、风险大等问题。
文档编号G06F11/26GK102253877SQ20111017939
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月29日 优先权日2011年6月29日
发明者刘兴华, 庄丽葵, 徐砚锋, 曹云峰, 曹叶欣, 王希超, 王彪 申请人:南京航空航天大学