基于模型的载人航天工程需求分析方法

基于模型的系统工程(model-based systems engineering, MBSE)能够提升复杂工程的总体设计能力和设计效率，在工程领域得到了广泛应用，但在载人航天工程领域尚处于起步阶段。在载人航天任务方案论证与方案设计阶段，为了规范基于模型的需求分析与系统设计工作，提出了任务需求分析的初步工作方法和流程。基于MBSE方法论和载人航天工程特点，提出了开展任务需求分析、能力需求分析、系统架构设计、系统需求分析、仿真验证、需求发布6个步骤，并以美国阿尔特弥斯计划为案例，详述了需求分析的流程。为后续开发覆盖载人航天全任务周期的数字化设计和技术管理流程奠定了基础。     

基于SysML的载人登月可靠性安全性需求分析

为了将可靠性安全性分析融入基于模型的航天任务设计,也必须开展详细的可靠性安全性需求分析.首先,在从需求分解、系统设计的过程中,推导得出各层系统的可靠性安全性需求;结合系统正常需求,在完成系统顶层架构设计的同时,开展功能危害分析、故障树分析等,以验证各层的可靠性安全性需求;依据可靠性安全性需求及对其的验证情况,指导设计故障处置措施,完善系统设计.以美国阿尔忒弥斯载人登月任务设计为例进行了方法验证,为开展基于模型的载人登月系统设计与可靠性安全性一体化分析提供了一种方法.     

基于MBSE的民机功能需求辨识与确认

为构建与飞行任务需求匹配的飞机系统功能架构,在民机系统概念设计阶段引入基于模型的系统工程(model-based systems engineering,MBSE)的改进方法,明确了MBSE的民机系统关键功能架构的正向设计过程。以民机典型任务场景“应急复飞”作为研究案例。通过辨识典型民机的功能需求,构建基于人机联合仿真实验的功能需求架构,记录需求的确认过程,实现捕获需求的功能黑盒解白,并利用MBSE架构中功能状态机仿真验证需求的完备性与合理性,最终确保功能设计阶段捕获功能需求过程的可追溯性。可应用于以航空器为代表的复杂系统,能将客户的模糊需求转化为可应用工程实践方法加以验证的具体功能,完善系统功能架构,满足高层级的技术需求。     

基于X语言的起飞场景民机协同设计与仿真一体化方法

针对大型复杂产品,传统基于模型的系统工程(model-based system engineering, MBSE)方法存在系统设计和仿真验证的多语言、多平台集成实现,难以保证高效、准确地反馈系统设计的缺陷,无法达到快速优化设计目的等问题,提出采用基于面向复杂系统支持MBSE的新一代一体化建模仿真语言—X语言实现面向起飞场景的民机跨域子系统的一体化建模仿真。从民机起飞过程需求分析出发,建立了起飞场景的系统级模型和物理级模型,并在X语言的建模仿真软件—XLab进行统一的建模仿真验证,给出了基于X语言面向复杂产品协同设计与仿真一体化方法,为不同领域的设计人员实现复杂产品设计的协同与优化提供了全新的理论与方法参考。     

基于MBSE的信息管理系统安全识别设计

针对采用基于模型的系统工程(MBSE)实现复杂系统研发时,缺少安全性分析与识别的问题,以高校信息管理系统为例,提出一种安全需求建模方法,选择SysML作为建模语言,采用Cameo System Modeler作为建模工具,使用模型驱动的OOSEM方法进行模型搭建,将安全识别整合到MBSE设计中来.首先,完成高校信息管理的环境构建,以教师申请职称评定为例,构建其白盒活动图,完成各部门解耦,提高系统设计效率,降低用户业务处理迭代次数;随后对安全相关概念进行定义,在系统设计早期进行安全需求设计,建立风险和威胁模型,通过攻击案例分析,进行风险处理.将安全问题识别纳入早期设计过程,减少系统设计的风险与成本,为软件开发提供参考.     

面向MBSE的复杂系统研发模型追溯管理方法

针对采用基于模型的系统工程(MBSE)实现复杂系统研发中存在的数据资源集成与互操作困难、可追溯性差等问题,提出一种基于数字总线的系统追溯管理方法支持系统研发流程中工具集成、追溯性管理及复杂度管理.首先采用系统思维方法定义系统元素及其关联;随后分别通过需求规约方法、基于系统建模语言KARMA的多架构建模方法和Simulink建模规范支持需求分析、架构设计和仿真验证过程的形式化表达;同时采用生命周期协作开放服务(OSLC)规范构建统一数据源的数字总线,通过开发服务管理工具原型及领域工具内插件实现系统设计资源的追溯性管理及总线可视化;最后通过一个自动刹车系统设计的案例研究验证了所提出方法的可行性和有效性.     

基于MBSE的航天器系统建模分析与设计研制方法探索

航天器任务具有任务复杂、高风险、高成本、高可靠性、长周期等特点, 为了适应未来更加复杂的航天器任务研制需要, 在航天器设计与研制中引入了基于模型的系统工程(model-based system engineering, MBSE)方法。提出了基于模型的航天器研制流程和适应航天器研制过程需要的6类模型体系, 分别为需求模型、功能模型、工艺模型、架构模型、产品模型以及验证模型。以月球水资源探测为假想任务背景, 给出了MBSE建模过程及其模型, 充分体现了MBSE方法在航天器设计及其集成仿真验证方面的优势。     

基于MBSE的民机研制过程管理

为保证在基于模型的系统工程(model-based systems engineering, MBSE)背景下民机研制的高效过程管理, 分析了当前民机研制的过程特征与面临的挑战, 在此基础上规划了基于模型的民用飞机研制整体框架与基于模型的过程全寿命周期管理(model-based process lifecycle management, MBPLM)概念。基于过程模型及其语义结构和类的定义, 提出了广泛适用于民机研制全过程的MBPLM方法, 并设计相应的并行架构。最后,为提升可操作性, 在典型系统民机舱内压力控制系统设计中演示了系统建模过程的管理时序、过程分析评估与异同构模型管理。所提方法可应用于以民用飞机为代表的复杂系统研制, 能够在MBSE背景下实现模型开发与过程管理关联与协同, 统筹管理研制全寿命周期过程。     

战斗机无人机编组协同系统需求捕获与验证

战斗机-无人机编组协同(fighter-drone teaming, FDT)是人员-信息-物理-智能一体化的全新作战形态, 其系统需求捕获与验证方法尚没有工程先例和经验可循, 亟需正向探索和实践。在一般的基于模型的系统工程(model-based systems engineering, MBSE)方法基础上, 提出整体纳入跨装备协同要素、将分析模型和验证模型分开构建、同步考量逻辑行为与时空关系的捕获与验证策略, 以及适用于编组协同“任务场景构建-系统行为分析-需求映射定义-模型在环验证”的流程和具体方法, 进而以典型“二带二”对地FDT为例进行应用检验。检验结果表明, 该方法可满足工程总体多专业联合工作需要, 能够高效形成编组协同系统需求清单及相应的捕获与验证依据, 从而为后续的系统设计和实现确立清晰的开发目标和设计指导。     

基于SysML的武器装备体系能力需求建模分析方法

为了便于不同领域研究人员之间的沟通交流，减少文本描述的歧义性，有必要采用建模的形式开展体系能力需求分析。本文根据基于模型的系统工程(model-based system engineering, MBSE)思想，采用系统建模语言(system modeling language, SysML)以及多视图产品形式，描述了武器装备体系能力需求的建模分析方法，分别对作战概念、作战场景、任务分解、作战活动、需求分类、需求分析以及指标分析等7个方面进行了描述，并选取未来空战新概念“作战云”典型空战样式，构建了“海上防御型协同制空作战场景”,验证了该体系能力需求建模分析方法的可行性。     

月地应急返回轨道优化设计

针对载人登月任务中的应急返回问题,对基于三脉冲变轨的方案进行优化设计。以圆型限制性三体问题(circular restricted three body problem, CR3BP)模型为基础,采用球坐标形式的月球返回运动模型。考虑环月轨道面、月球最小安全距离、终端近地距等约束,采用MultiStart算法对月地应急返回轨道进行全局优化。通过大量的计算仿真,验证了所提算法的有效性和可行性,并分析了不同轨道参数对性能指标的影响。研究结论对未来载人登月应急返回方案的设计具有重要的参考价值。     

基于MBSE的民机审定试飞场景设计

面向适航审定的飞行试验是验证民用飞机满足设计需求、表明适航条款符合性、形成审定证据的高风险、高成本的重要取证活动。定义和设计民机审定试飞场景是进行民机适航审定飞行试验的前提。由此提出了基于适航符合性证据链的审定试飞场景设计方法及流程。以“符合性证据链”为核心，规划了逻辑严密、可追溯的适航符合性证据。通过引入基于模型的系统工程(model-based systems engineering, MBSE)方法，实现了审定试飞场景符合性证据链构建过程的模型化。为提升可操作性,以适航要求“地面航向操纵性”为典型案例,演示了审定试飞场景需求分析、设计与需求确认的过程。最终设计得到的审定试飞场景能够支持民机适航审定飞行试验的开展。     

载人登月训练模拟器综述

为了给中国未来载人登月任务训练仿真技术预研和模拟器研制方案论证提供借鉴参考,梳理了美和前苏联载人登月任务航天员训练概况、训练模拟器型谱及其应用情况.主要分析NASA航天员训练分类、训练阶段、主要的训练模拟器及其典型的训练情况,简要介绍了前苏联载人登月模拟器的类型.总结了得到的启示,最重要一点是:登月训练应该研制各种类型的训练模拟器,以丰富航天员模拟训练的手段,提高模拟训练的覆盖性.还对未来中国航天训练仿真技术前景进行了展望,包括新型虚拟现实技术因登月飞行和月面驻留任务及环境的特点而得到工程化应用;新型虚拟现实训练仿真技术体系的关键技术主要有自然和谐人机交互技术、真实感力学环境感知仿真技术、人类多感知(视觉、听觉、触觉等)仿真技术等;新型人机交互技术在模拟训练中的应用将更为自然与和谐;新型运动感仿真技术将在模拟训练中得到工程化应用.     

基于MBSE的动车组需求管理方法

为保证客户原始需求在动车组设计研发过程中被准确传递并满足,针对基于传统系统工程动车组设计研发中存在的需求表达存在歧义等需求管理问题,提出一种新的基于模型的系统工程(MBSE)思想需求管理方法,该方法基于Teamcenter平台,纵向分为客户需求、产品需求、系统需求以及部件需求四个层级,横向分为捕获、分析、确认、分配和验证五步活动,并以动车组空调系统为例,进行上述五步活动,建立层级化需求模型,通过设置需求属性对需求进行管理与量化.使用该方法能够建立需求与设计的追溯关系,保证需求的准确性,提高设计效率,降低研发成本.解决以往传统系统工程所带来的需求表达不清晰、查找与变更困难等问题.     

基于模型的无人机系统架构综合评估方法

系统架构综合评估是无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)研制中的重要环节,本文从UAV总体设计的需求出发,提出了系统架构综合评估指标体系的全面性和层次性原则。根据基于模型的系统工程方法构建了三级评估指标体系。通过将系统架构模型的仿真结果作为评估指标体系的输入,建立了一种系统架构模型与评估模型关联的综合评估分析方法,以达到UAV总体技术方案快速闭环设计与优化的目标。面向工程应用,开发了一个系统架构多方案权衡软件。以某UAV系统架构综合评估作为实例,验证了方法与工具的正确性和工程实用性。     

面向复杂系统需求分析的DSL构建

在航空航天领域, 系统的复杂度快速增长, 这对基于模型的系统工程的开展带来巨大的挑战, 尤以复杂系统的需求分析为甚。需求分析过程缺乏针对性的支持模型的工具。针对基于模型的系统工程中的这一问题, 根据领域建模的思想, 引入领域特定语言(domain specific language, DSL)的概念, 提出一种构建DSL进行需求分析的方法, 并针对基于模型的系统工程(model based system engineering, MBSE)中需求分析的需要构建相应的DSL。首先, 从基于模型的系统工程方法论角度, 对工程应用中的需求捕获与分解进行了分析; 接着, 通过扩展后的GOPPRR(graph object property port role relationship)元元模型依据需要, 构建了DSL的具体语法与语义; 最后, 以具体的系统为例与系统建模语言分析方法做出了对比。结果表明, 所构建的DSL在进行复杂系统的需求分析与建模时, 与实际需要契合, 在各个环节都具有针对性强、形式化的优点, 有利于保证需求分析与建模工作的正确性。     

基于xUML的C4ISR系统可执行对象模型设计

C4ISR系统自身复杂性和军事需求多变性,使得系统设计风险增加,研制难度愈来愈大.把模型驱动体系结构MDA的思想和可执行建模语言xUML引入C4ISR系统的设计研制过程中,详细分析了可执行对象模型对于C4ISR系统研制的意义,给出了基于xUML的C4ISR系统可执行对象模型设计方法和步骤,并通过水面舰船的实例验证了该方法的可行性.该方法对系统结构化分析、动态逻辑验证、性能测量评价,而且在描述能力、可理解性和可分析性等方面比基于Petri网的可执行模型都有很大改善.     

基于可控域的定点返回轨道全局敏感性分析

针对载人月球探测定点返回轨道在多变量、多约束的复杂参数空间内参数之间影响关系不确定的问题，对载人探月定点返回轨道的参数敏感性问题进行了研究。基于近月点伪参数，建立了定点返回轨道的可控域计算模型，并提出了一种基于可控域的全局参数敏感性分析方法，以计算得到的可控域集合点构建敏感性分析矩阵，通过基于方差的方法对各参数的敏感性进行求解。在仿真分析中，得到了在给定约束条件下定点返回轨道可控域范围的一般分布规律，并给出了可控域范围内近月点伪参数对终端参数的敏感性指标。相关研究结论可为未来的载人月球探测轨道任务分析与设计提供重要参考。     

基于SPN模型的分布式动漫渲染系统架构分析

对分布式动漫渲染系统的建模技术进行了研究,首先,分析了分布式动漫渲染系统中的两种典型架构--集中式架构和分布式架构的渲染过程,并在此基础上分别建立了集中式架构和分布式架构的sPN(Stochastic Petri Nets,随机Petri网)模型,然后进一步采用SPNP(Stochastic Petrt Nets Package)6.0软件对两种架构的平均时延进行了模型仿真分析,最后,得出了2种架构的性能优劣比较结论,为渲染系统在构建和设计阶段提供重要的理论依据.     

基于模型的复杂系统安全分析综述

基于模型的安全分析(model-based safety analysis, MBSA)的最终目的是以复杂的安全关键性系统的形式化和半形式化模型为基础,实现自动化的安全分析。MBSA的方法众多,涵盖了用以实现对复杂的安全关键性系统进行建模、安全分析和验证的所有理论、技术、工具及语言。根据MBSA技术在安全分析过程所使用的模型的不同,即安全模型与系统设计模型之间的不同关系,将MBSA的实现手段分为两类:一类是基于系统扩展模型(extended-system-model, ESM)的MBSA方法;另一类是基于故障逻辑建模(failure logic modelling, FLM)技术的MBSA方法。文中对这两种方法的实现过程分别进行了描述,并分别对每种方法的优点和局限性进行了分析说明,最后对两类MBSA方法可做的改进进行了分析。