飞机电气系统的MBSE设计及仿真.docx

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1、飞机电气系统的MBSE设计及仿真 信息共享与协同。但是，随着飞机系统规模和困难程度的提高，基于文本的设计模式的劣势也越来越明显，存在着设计方案歧义、信息孤岛和开发效率低等诸多问题1。基于模型的系统工程能够避开传统系统工程设计的上述弊端，近年来得到了广泛的重视和探讨。 伴随着多电飞机概念的提出和发展，对飞机电气系统提出了新的要求。首先要有大容量、高功率密度、高效率的发电机、电机限制器、电源变换器和逆变器等发电和供电系统。其次是对于配电系统，要求能够自动监视、限制、爱护，在正常和紧急状态下，对负载进行切换和复原。 本文针对民用飞机电气系统，采纳Rhapsody设计软件，利用MBSE设计思路，完成电

2、气系统的仿真建模，模拟系统的各种工作状态和系统设计不同阶段的电气限制模块，实现对电气系统特性、限制功能及逻辑等的仿真和分析。 1 MBSE系统设计流程分析 在MBSE系統设计开发中，模型是设计过程的核心，并且模型在整个开发过程中不断迭代和完善。如图1系统总体设计流程图所示，MBSE供应了一种有效的方法，将系统抽象为用例，围绕用例进行开发，实施过程分为3个阶段：需求分析、功能分析和设计综合2。本文运用业界广泛运用基于仿真建模平台Rhapsody的SysML语言进行系统模型开发的需求分析、功能分析、设计综合和仿真验证。 需求分析的目的是将用户需求转化为系统需求。民用飞机系统需求主要有功能需求、平安

3、性需求、附加适航需求和衍生需求，其中功能需求主要包括顾客需求、运行需求、性能需求、物理和安装需求、修理性需求、接口需求等。需求分析阶段主要得到电气系统的需求模型和用例模型，用例模型主要描述外部参加者的行为以及外部参加者和内部系统用例之间的关系。与传统方法相比，模型化结构可以快速定位需求改变，避开由需求改变引起的“蝴蝶效应”。 功能分析阶段的输入是需求分析阶段输出的用例模型，输出为一个可执行的用例模型3。从以下几个维度对用例模型进行可执行化翻译：绘制活动图用于描述系统功能实现流程、导出时序图描述系统子模块事务交互依次和创建状态图描述系统用例的动态行为。功能分析阶段明确了顶层功能用例的大致内部逻辑

4、以及交互行为，这一阶段输出的可执行用例模型被称为“黑盒”用例模型。 设计综合是为整合功能分析阶段的模型元素，并设计系统架构。设计综合分为2个阶段：架构分析和架构设计。架构分析阶段通过一系列的系统权衡分析，寻求最优架构设计方案。架构设计阶段的重点是功能分析阶段的“黑盒”用例模型逐步细化，绽开为“白盒”模型，最终把用例白盒模型集成到系统架构中。 2 电气系统的MBSE设计 Rhapsody是IBM公司的一款系统建模工具，它具有从系统设计到软件设计无缝连接，自动生成模型代码，自动根据规定的格式和要求生成设计文档，支持系统需求管理，系统架构设计和系统模型验证等诸多功能，满意电气系统建模的软件要求。因此

5、在本次建模设计，选择Rhapsody作为MBSE仿真设计平台，运用SysML语言实现ES整体模型设计4，本文接下来将从需求分析、功能分析和设计综合三个阶段介绍详细ES建模流程。 2.1 需求分析 ES的需求分析，主要包含需求获得和需求到用例的安排与追溯两个步骤。 需求获得。 ES用户需求来源于设计师收集整理的ES功能方面要求和指标，也包含了如平安性和飞机适航等附加需求。 设计者依据电气系统的学问，分析已整理完善的用户需求，将其细化分解，梳理出的民机电气系统的应当具备的功能、系统和部件，得到层次分明并且结构完整的系统功能需求。然后将用户需求和功能需求以文本的方式录入DOORS中，便利整理和完善。

6、在后续的模型设计中，为了保证需求良好的追溯性，须要在DOORS中，将用户需求文档和系统功能需求文档逐级逐条对应关联。需求关联后，在整个设计周期都可以查看系统的需求对应关系。 关联功能性需求到用例。 完成需求内部关联后，须要以SysML用例模型的形式将需求分析结果呈现。用例模型是从某一特定的功能方面对系统描述，依据功能需求分析结果，在SysML模型用例图设置对应的功能用例，确定两个功能用例之间以及用例和外部角色之间的关系，并将这些关系绘制在用例图中。DOORS的需求分析结果和Rhapsody的用例模型整理完毕后，两者还是独立模块，须要利用Rhapsody Gateway把ES需求分析文档从DOO

7、RS导入Rhapsody工程中，并通过trace追踪关系的方式，逐条链接需求文档与功能用例，从而实现整个设计过程的需求追踪和管理5。 2.2 功能分析 ES功能分析阶段，即为黑盒模型阶段，设计者基于前一阶段的供电和配电用例分析系统功能，得到功能用例应具备的静态架构、屬性特征和状态改变等关键特性;然后基于功能用例的关键特性，从静态结构和动态行为两个方面，把每个顶层功能用例转化成可执行模型。 黑盒静态结构模型。 黑盒静态结构模型是对顶层用例的属性、操作和状态进行描述。首先依据顶层用例，定义用例模型的上下文，此时仅为初步的内部模型图，部件无端口。再创建用例之间以及用例与外部参加者之间的事务和数据接口

8、。依据限制逻辑和事务发送，完成部件的相互连接，即构成用例静态模型。供电模块主要负责飞机的电源供应工作。飞机检查飞机发电机的状态，接收来自驾驶员的限制指令;通过液压模块进行发动机启动限制;接收显示系统显示关键部件的状态信息，进行飞机供电设备的调整，更改供电模式，保证飞机负载的正常供配电与工作。 黑盒动态行为模型。 黑盒动态行为建模，即建立SysML活动图，时序图和状态图，从系统的活动流程和状态行为两方面对ES进行具体的描述。以供电系统为例，首先依据黑盒静态结构的操作属性，定义供电用例详细功能流，得到供电用例活动图，再依据活动图的事务交互导出序列图描述的用例场景。最终以事务驱动，从状态行为的维度描

9、述供电用例部件的详细状态改变。以上的内部模块图，活动图时序图和状态图共同组成了ES供电用例的可执行模型。 2.3 设计综合 功能分析阶段的黑盒模型，完成了ES顶层架构的分析设计。设计综合须要以黑盒模型为基础，把顶层功能用例细化分解成子系统/部件进行权衡分析，定义详细功能部件，并安排相应的系统功能性需求到系统子部件，设计各子系统的操作，状态行为，以及子系统内部与系统外部的交互关系，此阶段即为白盒阶段。 设计综合阶段事实上是针对每个子用例具体设计，将黑盒视图细化绽开为白盒视图。该阶段详细实现流程与前一阶段非常类似，本小节依旧根据静态结构和动态行为两个维度对设计综合阶段产出的模型进行介绍。 白盒静态

10、结构模型。 在功能分析阶段中，已经将ES的顶层架构划分为两个功能用例，而在ES设计综合阶段，须要逐个针对顶层功能系统进行细分，并根据逻辑设计其与顶层系统或子部件的关系。与黑盒静态模型相比，将顶层供电用例细分为主电源、协助电源、紧急供电部件、蓄电池供电系统和重要供电模块5个子部件，如图2所示。由图2可知子部件之间有着困难的交互关系，而且供电系统与外部参加者之间的交互关系连接到了详细的供电部件。 白盒动态行为模型。 白盒动态行为模型照旧从活动图，时序图和状态图三个维度进行描述。如图3供电用例白盒活动图所示，利用泳道将供电用例的操作划分到各子部件中，每个泳道内的活动流与分解的子部件相对应。由白盒泳道

11、活动图可以导出供电白盒时序图，定义供电子部件数据端口，描述事务交互依次的用例场景。供电白盒状态图不同于黑盒视角，须要对每个供电子用例，分别建立其状态图用以描述其状态行为，而且不同状态图之间须要通过事务和参数的改变完成整个供电功能的实现。采纳上述方法实现全部功能用例之后，应当整合整个系统模型，得到完整的民机电气系统架构。 3 系统可视化仿真验证 在完成电气系统建模后，还须要验证ES模型的功能、逻辑、行为是否满意设计要求。在设计仿真验证时，采纳Rhapsody自带的面板图功能，设计交互界面，通过界面按钮快速地向模型发送事务，同时通过界面显示灯接收模型反馈的数据并进行实时显示，从而使设计者精确刚好地

12、获得模型的状态信息，便于验证ES模型的逻辑架构。下面以紧急供电为例介绍介绍。 当LVFG、RVFG、APU均无法正常供电时，进入紧急供电模式，显示界面的配电负载，只有关键的直流负载接着供电，一般沟通负载都停止工作，降低飞机电耗，保证关键设备的电能足够。图4为RAT紧急供电交互界面，此时RAT系统仍对蓄电池发出供电指令，重要供电模块的飞控系统参数起先重复改变，在显示界面发送警报指令，提示驾驶员。而在RAT故障或空速没达到要求时，RAT失效，RAT子系统发送紧急信号给蓄电池系统，蓄电池起先放电，为飞机关键设备供电，此时重要供电系统检测到系统电流通道状态发生改变，交互界面的供电类型变为紧急供电。 本

13、文只针对民机电气系统的供电系统进行了具体的介绍，首先配电系统的整体设计方案与供电模块一样，而且配电系统模块内部的交互信息和状态改变，均可由可视化界面仿真验证其设计效果。 4 结语 电气系统作为民机机电系统的重要组成部分，而采纳基于文本的系统工程设计民机电气系统存在质量低、周期长和花费大等诸多缺陷，因此探讨电气系统的MBSE设计对实现飞机全机系统模型化设计具有重要意义。在此背景下，本文基于Rhapsody仿真平台采纳SysML建模语言，结合电气系统物理架构，建立了完整的电气系统的模型设计及仿真验证方案，开发民机电气系统仿真模型，制定适用的仿真建模规范，希望能为之后的飞机困难系统的模型设计研发供应

14、有效的参考依据。 参考文献 1 王崑声，袁建华，陈红涛，等.国外基于模型的系统工程方法探讨与实践J.中国航天，2022：52-57. 2 吴颖，刘俊堂，郑党党.基于模型的系统工程技术探析J.航空科学技术，2022，26：69-73. 3 刘兴华.飞行限制系统数字化设计技术探讨D.南京航空航天高校，2022. 4 刘宇，金鑫.基于Rhapsody的综合航电火控系统图形化设计探讨J.电光与限制，2022，26：89-96. 5 张绍杰，李正强，海晓航，等.基于MBSE的民用飞机平安关键系统设计J.中国科学：技术科学，2022，48：2101-311. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页