CN121478235A - 基于SysML语言的通用航天器系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法包括：1)以包的形式逐层建立目标航天器系统设计模型的组织结构；2)工程任务及需求分析；3)航天器系统功能分析；4)总体初步方案设计；5)分系统方案设计；6)总体最终方案综合。本发明采用基于SysML的系统工程方法，提出了航天器系统设计模型的组织结构、建模流程以及详细建模要求，支持需求捕获及分析、系统重用以及系统优化与评估，支持大规模复杂通用航天器系统的数字化建模，提高航天器研制效率和研制质量。

Description

基于SysML语言的通用航天器系统建模方法

技术领域

本发明涉及复杂系统建模技术，具体涉及一种基于SysML语言的通用航天器系统建模方法。

背景技术

我国载人月球探测工程研制已经进入了稳步推进阶段，下一阶段目标为实现从无人探月到载人探月的突破。由于月面活动任务的长期性、协作性、复杂性，使航天器系统的规模、复杂度显著提升，对航天器的设计、研制方法提出了更高要求。传统以文档为中心的系统工程方法已经难以满足未来更加复杂航天器系统设计的需求。

基于模型的系统工程(MBSE)方法因其能够提供更加系统化、集成化和可视化的设计方法，在航空、航天、国防领域逐渐得到了推广落地。MBSE方法提供格式化的建模方法，使其相对于基于文档的系统工程方法，具有能够实现系统全生命周期内维护，发展系统规格，基线、改进系统需求、设计、分析和验证信息之间的可追溯以及项目重用等明显优势。

目前，针对航天器系统MBSE建模，已提出了一些设计方案，但均具有一定局限性且在工程项目中实施性较差，未形成一个规范的组织架构以及规范的、易于操作的根据工程任务需求分析、航天器系统功能分析、总体初步方案分析、分系统方案分析、总体最终方案综合进行分层次建模及集成验证的通用建模方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，支持大规模复杂通用航天器系统的数字化建模，提高航天器研制效率和研制质量。

为了达到上述的目的，本发明提供一种基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，包括：1)以包的形式逐层建立目标航天器系统设计模型的组织结构；2)工程任务及需求分析；3)航天器系统功能分析；4)总体初步方案设计；5)分系统方案设计；6)总体最终方案综合。

所述步骤1)包括：1.1)以包的形式建立目标航天器系统设计模型的组织结构的第一层，包括：交换项类型定义、工程任务及需求分析、目标航天器总体设计、分系统方案设计以及总体最终设计方案综合五个包；1.2)以包的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第二层，包括：在工程任务及需求分析下建立用户或项目需求、任务运行分析与用例、任务边界与大系统接口定义、工程任务指标分析、任务定义域分析综合检查；在目标航天器总体设计下建立航天器系统功能分析以及航天器总体初步方案设计；在分系统方案设计下建立不同分系统方案设计；在总体最终设计方案综合中建立分系统方案验证、航天器设备配套及接口综合、系统方案验证、航天器飞行程序验证确认以及总体最终方案设计综合检查；1.3)以包的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第三层，包括：在用户或项目需求下建立工程任务目标和利益攸关者需求；在任务运行分析与用例中建立任务运行分析以及航天器用例定义；在工程任务指标分析下建立目标航天器物理特性；在任务定义与分析综合检查下建立利益攸关者需求与指标约束追溯分析、关键事件与任务目标追溯分析、用例与任务剖面与关键事件追溯分析、用例与利益攸关者追溯分析；在航天器系统功能分析下建立航天器功能方案、航天器功能设计方案权衡、航天器技术要求定义、航天器功能分析综合检查；在航天器总体初步方案设计下建立航天器总体初步方案、航天器总体初步方案权衡、分系统技术要求；在分系统方案设计中建立分系统单机配置设计、分系统功能实现分析、分系统单机接口定义、分系统指标体系分析、分系统单机技术要求、分系统设计方案综合检查、分系统单机最终方案综合验证；1.4)以包的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第四层，包括：在目标航天器功能方案下建立大系统模块定义、关键事件分析、航天器系统外部接口定义、航天器系统指标体系分析；在航天器系统功能分析综合检查下建立航天器系统技术要求与功能设计方案追溯、航天器系统技术要求与利益攸关者需求追溯；在航天器系统总体初步方案下建立航天器分系统配置设计、系统功能实现分析、分系统接口定义、航天器总体初步方案参数分析；在分系统技术要求下建立不同分系统技术要求；在分系统设计方案综合检查下建立单机技术要求与分系统设计方案追溯、单机技术要求与分系统技术要求追溯。

所述步骤2)包括：2.1)用户或项目性需求定义，以需求图或需求表的形式将工程任务目标和目标航天器系统的要求建模为条目化需求，建立工程任务目标需求模型以及航天器系统利益攸关者需求模型；2.2)任务运行分析与用例定义，从全生命周期视角对航天器系统的利益攸关者进行识别并补充必要的需求；2.3)任务边界与大系统接口定义，基于研制总要求和运行分析，建立块定义图，使用模型元素块定义系统上下文，使用块定义航天器系统以及在航天器系统运行中与之有交互关系的外部系统，并将其定义为系统上下文的组成部分；系统上下文建立内部块图，使用连接器将航天器系统与外部系统建立连接；检查用例图中所有与系统用例相连的外部系统是否都在系统上下文的内部块图中完成了定义，并与航天器系统连接；2.4)工程任务指标分析，针对利益攸关者需求中的性能指标、安全性、可靠性定量需求，在目标航天器系统的块中定义指标值，通过约束块定义定量需求的数学表达式，并将其作为目标航天器系统的约束属性；使用参数图定义约束属性与指标值之间的参数传递关系；2.5)任务定义与分析综合检查，开展利益攸关者需求与指标约束、关键事件与任务目标、系统用例与任务剖面及关键事件、系统用例与利益攸关者需求的追溯分析；构建追溯矩阵，集中显示追溯关系，通过检查覆盖性验证任务定义与分析阶段的设计和建模工作是否完整，若不满足要求，需完善设计和建模工作，直至通过检查。

所述步骤3)包括：3.1)大系统模块及目标航天器系统外部接口定义，使用模型元素块定义目标系统黑盒模型，明确其与“任务边界与大系统接口定义”流程中系统块的继承关系，参考该流程定义目标系统黑盒模型的系统上下文；将目标系统黑盒模型作为航天器系统功能分析的核心对象和需求模型载体；建立目标系统黑盒模型的系统上下文的内部块图，根据场景中跨泳道对象流，为航天器系统和外部系统定义项目流及接口；完成内部块图的接口关系设计后，使用建模软件功能自动生成接口控制文件；3.2)关键事件分析及黑盒综合，从用例图的每个用例出发，建立带泳道的活动图，其中一泳道代表航天器系统，其他泳道代表相关系统或用户，表达用例应用场景；建立不同的“航天器系统功能分析”包对应不同的场景模型，以支持多方案探索和权衡；场景模型建立完成后，应将所有活动按照执行者进行分类管理，分别建立不同的包，多个执行者共用的功能应建立一个共用功能包；使用目标系统黑盒模型的操作属性定义系统的黑盒功能；目标系统黑盒模型的功能应能完全覆盖所有场景中目标系统黑盒模型被分配的行为；使用状态机模型，以状态和状态的跳转作为功能触发的载体；使用状态机模型仿真验证目标航天器系统的所有行为，通过验证后，将该状态机模型认定为黑盒行为设计阶段的成果；通过场景仿真自动生成时序图，通过时序图与场景模型比对开展场景基于模型的方案验证；3.3)航天器系统方案权衡，使用参数图建立定量指标分析模型对多个不同的系统功能设计方案进行权衡，分析系统利益攸关者需求与功能设计指标之间的定量计算关系；当两个方案中系统功能的设计不同时，应定义两个不同的航天器系统块构建场景模型，进而分析不同方案的差异；通过参数计算支持方案权衡，最终确定最优方案；3.4)航天器系统技术要求定义，使用需求图或需求表定义航天器系统需求，建立系统需求与利益攸关者需求和系统黑盒模型的追溯矩阵；3.5)航天器系统功能分析综合检查，在航天器系统功能分析检查中，建立航天器系统技术要求与目标系统黑盒模型属性的追溯矩阵以及航天器系统技术要求与系统利益攸关者需求的追溯矩阵，检查追溯矩阵覆盖性以验证设计和建模的完整性。

所述步骤4)包括：4.1)分系统配置设计及接口定义，使用模型元素块定义分系统组成的目标航天器系统白盒模型，并继承自目标系统黑盒模型，为每一个分系统定义一个块并作为白盒模型的组成部分；为白盒模型建立内部块图，根据初步设计定义出分系统之间可能存在的连接，在白盒模型的内部块图中，根据白盒模型中识别出的跨泳道对象流，为分系统定义项目流以及接口；在完成分系统交互关系定义后，建立分配矩阵，建立白盒模型中对象流向项目流的映射关系，矩阵中的每一个对象流都应映射到了某个项目流中，且不存在没有映射关系的项目流；根据需要自动生成接口控制文件；4.2)航天器系统功能实现分析及总体初步设计行为综合，从航天器系统白盒模型的操作属性中对继承而来的操作进行逐一重构，创建新的活动作为重构后操作的方法，然后建立新活动的活动图，在该活动图中表达方法实现的细节；为各分系统设计状态机模型，综合白盒模型功能设计活动图中的功能执行顺序，梳理分系统功能触发逻辑并编排到特定状态中，通过状态机模型的逻辑仿真验证分系统行为模型的正确性；4.3)航天器系统总体初步方案权衡，针对多个总体初步设计方案，使用参数图建立定量指标分析模型，分析系统需求与方案指标的定量关系；不同的逻辑架构方案从架构组成分析开始应定义不同的模型分支，定义不同的航天器系统白盒模型；使用块定义图定义问题分析框架，将要分析的分系统块用组合关系关联到分析框架中；通过参数计算支持方案权衡，确定最优方案；4.4)分系统技术要求定义，使用需求图或需求表建立分系统的需求模型，定义条目化的分系统需求，建立分系统需求与系统需求的追溯矩阵以及分系统需求与分系统架构模型的追溯矩阵；4.5)航天器系统总体初步方案综合检查，进行分系统技术要求与总体初步方案、航天器系统技术要求的追溯分析，建立分系统技术要求与分系统模型块属性的追溯矩阵以及分系统技术要求中的条目化分系统需求与航天器系统技术要求中的系统需求的追溯矩阵，集中显示追溯关系，通过检查覆盖性，验证总体初步方案设计阶段的完整性和准确性。

所述步骤5)包括：5.1)单机配置设计及接口定义，使用块定义图为分系统定义结构组成部分，从而得到分系统白盒模型；为分系统白盒模型建立内部块图，建立分系统各组成部分的连接；根据分系统白盒功能模型中识别出的跨泳道对象流，为分系统定义项目流以及接口，建立对象流和项目流的追溯关系；5.2)分系统功能实现分析及行为综合，针对分系统白盒模型中继承自分系统黑盒模型的功能，即操作属性进行逐一重构，创建新的活动作为重构后操作的方法，然后建立新活动的活动图，在该活动图中表达方法实现的细节，形成分系统白盒功能模型，从而将分系统的功能进行分解并分配至单机；为各单机定义行为模型，通过专业仿真平台验证各单机行为模型的正确性；5.3)分系统方案权衡，如对多种不同的分系统设计方案，使用SysML的参数图模型和多学科建模与仿真工具分析不同方案的优劣势，并从中择优选择出分系统方案；5.4)单机技术要求定义，根据最终权衡的分系统方案，为每个单机模型定义条目化需求模型，梳理形成各单机的技术要求；5.5)分系统设计方案综合检查，进行单机技术要求与分系统设计方案、分系统技术要求的追溯分析，建立单机需求与单机模型块属性的追溯矩阵，检查追溯关系覆盖性，验证分系统设计阶段的完整性和准确性。

所述步骤6)包括：6.1)分系统方案验证：系统综合验证前，定义分系统测试验证模型和测试用例模型，接入分系统白盒模型，仿真验证其设计是否满足总体初步方案的技术要求；6.2)航天器系统飞行程序验证确认：针对航天器系统用例定义测试用例模型，基于模型仿真验证总体设计方案复现飞行程序，从而对利益攸关者需求进行验证和确认；6.3)航天器系统设备配套及接口综合，对照总体初步设计方案，使用块定义图定义航天器系统设备配套综合集成架构，将各分系统白盒模型定义为该集成架构的组成部分；在集成架构的内部块图中，按照总体初步设计方案定义各分系统的接口连接关系；6.4)系统方案验证：综合集成各分系统白盒模型，构建测试用例模型，仿真验证航天器系统总体方案是否满足技术要求。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明与现有方法相比，对航天器系统的MBSE建模，形成一个规范的组织架构，提出了更加规范的、易于操作的通用建模流程，更具操作指导意义，结合了传统的系统工程实践，简化了开发过程，支持需求捕获及分析、系统重用以及系统优化与评估，能够构建更灵活、可扩展的系统，以适应不断发展的技术和不断变化的需求；支持大规模复杂通用航天器系统的数字化建模，提高航天器研制效率和研制质量。

附图说明

本发明的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明实施例的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法流程图。

图2为本发明实施例中航天器系统模型组织结构示意图。

图3为本发明实施例中工程任务目标需求模型示意图。

图4为本发明实施例中航天器利益攸关者需求模型示意图。

图5为本发明实施例中任务剖面分析示意图。

图6为本发明实施例中飞行程序示意图。

图7为本发明实施例中关键事件示意图。

图8为本发明实施例中航天器系统用例模型示意图。

图9为本发明实施例中关键事件与用例的追溯关系示意图。

图10为本发明实施例中系统上下文定义模型示意图。

图11为本发明实施例中系统上下文内部块图定义示意图。

图12为本发明实施例中指标定义和约束块定义示意图。

图13为本发明实施例中参数计算模型示意图。

图14为本发明实施例中系统用例与任务剖面及关键事件的追溯关系示意图。

图15为本发明实施例中航天器系统黑盒模型示意图。

图16为本发明实施例中系统黑盒模型的系统上下文接口连接示意图。

图17为本发明实施例中基于用例的场景模型示意图。

图18为本发明实施例中使用状态机模型构建的主行为模型示意图。

图19为本发明实施例中参数图模型示意图。

图20为本发明实施例中系统需求模型示意图。

图21为本发明实施例中航天器技术要求与系统利益攸关者需求的追溯关系示意图。

图22为本发明实施例中系统架构组成定义模型示意图。

图23为本发明实施例中分系统间接口定义示意图。

图24为本发明实施例中系统白盒模型的功能活动图定义示意图。

图25为本发明实施例中分系统状态机示意图。

图26为本发明实施例中系统架构方案参数分析模型示意图。

图27为本发明实施例中分系统需求追溯示意图。

图28为本发明实施例中分系统技术要求与航天器技术要求追溯关系示意图。

图29为本发明实施例中分系统单机配置设计示意图。

图30为本发明实施例中分系统单机接口定义示意图。

图31为本发明实施例中分系统白盒模型的功能活动图定义示意图。

图32为本发明实施例中单机技术要求示意图。

图33为本发明实施例中单机技术要求与分系统技术要求追溯关系示意图。

图34为本发明实施例中航天器设备配套综合集成架构示意图。

图35为本发明实施例中航天器设备配套综合集成接口连接关系示意图。

具体实施方式

以下将结合图1～图35对本发明的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法作进一步的详细描述。

图1所示为本发明实施例的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法流程图。

如图1，本实施例的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法包括：

1)建立模型组织结构，如图2所示；

1.1)建立第一层模型组织结构，以包(Package)的形式建立目标航天器系统设计模型的组织结构的第一层，包括：交换项类型定义、工程任务及需求分析、目标航天器总体设计、分系统方案设计以及总体最终设计方案综合五个包；

1.2)建立第二层模型组织结构，以包(Package)的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第二层，包括：在工程任务及需求分析下建立用户或项目需求、任务运行分析与用例、任务边界与大系统接口定义、工程任务指标分析、任务定义域分析综合检查；在目标航天器总体设计下建立航天器系统功能分析以及航天器总体初步方案设计等；在分系统方案设计下建立不同分系统方案设计等；在总体最终设计方案综合中建立分系统方案验证、航天器设备配套及接口综合、系统方案验证、航天器飞行程序验证确认以及总体最终方案设计综合检查；

1.3)建立第三层模型组织结构，以包(Package)的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第三层，包括：在用户或项目需求下建立工程任务目标和利益攸关者需求；在任务运行分析与用例中建立任务运行分析以及航天器用例定义；在工程任务指标分析下建立目标航天器物理特性；在任务定义与分析综合检查下建立利益攸关者需求与指标约束追溯分析、关键事件与任务目标追溯分析、用例与任务剖面与关键事件追溯分析、用例与利益攸关者追溯分析；在航天器系统功能分析下建立航天器功能方案、航天器功能设计方案权衡、航天器技术要求定义、航天器功能分析综合检查等；在航天器总体初步方案设计下建立航天器总体初步方案、航天器总体初步方案权衡、分系统技术要求等；在分系统方案设计中建立分系统单机配置设计、分系统功能实现分析、分系统单机接口定义、分系统指标体系分析、分系统单机技术要求、分系统设计方案综合检查、分系统单机最终方案综合验证；

1.4)建立第四层模型组织结构，以包(Package)的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第四层，包括：在目标航天器功能方案下建立大系统模块定义、关键事件分析、航天器系统外部接口定义、航天器系统指标体系分析；在航天器系统功能分析综合检查下建立航天器系统技术要求与功能设计方案追溯、航天器系统技术要求与利益攸关者需求追溯；在航天器系统总体初步方案下建立航天器分系统配置设计、系统功能实现分析、分系统接口定义、航天器总体初步方案参数分析；在分系统技术要求下建立不同分系统技术要求；在分系统设计方案综合检查下建立单机技术要求与分系统设计方案追溯、单机技术要求与分系统技术要求追溯；

2)工程任务及需求分析；

2.1)用户或项目性需求定义，以需求图或需求表的形式将工程任务目标和目标航天器系统的要求建模为条目化需求，建立工程任务目标需求模型(如图3)以及航天器系统利益攸关者需求模型(如图4)；

2.2)任务运行分析与用例定义，从全生命周期视角对航天器系统的利益攸关者进行识别并补充必要的需求；

具体为：如图5所示，通过运行概念的梳理识别航天器系统在全生命周期的主要运行过程，使用活动图描述工程任务运行阶段(即任务剖面)；如图6所示，使用活动图细化每个任务剖面，定义为飞行程序；如图7所示，在飞行程序中识别目标航天器系统的参与活动，定义为关键事件；如图8所示，对关键事件清单进行综合分析，对利益攸关者需求中的功能需求进行梳理，结合目标航天器系统全生命周期各阶段的顶层功能需求分析，使用用例图建立目标航天器系统的用例模型，定义为系统用例(Use Case)；如图9所示，完成用例建模后，叶节点用例应建立与对应关键事件或利益攸关者需求的细化(Refine)关系；

2.3)任务边界与大系统(指航天器系统及所有外部系统)接口定义，基于研制总要求和运行分析，如图10所示，建立块定义图，使用模型元素块(Block)定义系统上下文(Context)，使用块定义航天器系统以及在航天器系统运行中与之有交互关系的外部系统，并将其定义为系统上下文的组成部分；如图11所示，系统上下文建立内部块图，使用连接器(Connector)将航天器系统与外部系统建立连接；检查用例图中所有与系统用例相连的外部系统是否都在系统上下文的内部块图中完成了定义，并与航天器系统连接；

2.4)工程任务指标分析，如图12所示，针对利益攸关者需求中的性能指标、安全性、可靠性等定量需求，在目标航天器系统的块中定义指标值(可使用MoE Stereotype增强模型辨识度)，通过约束块定义定量需求的数学表达式，并将其作为目标航天器系统的约束属性；如图13所示，使用参数图定义约束属性与指标值之间的参数传递关系；

2.5)任务定义与分析综合检查，如图14所示，开展利益攸关者需求与指标约束、关键事件与任务目标、系统用例与任务剖面及关键事件、系统用例与利益攸关者需求的追溯分析；构建追溯矩阵，集中显示追溯关系，通过检查覆盖性验证任务定义与分析阶段的设计和建模工作是否完整，若不满足要求，需完善设计和建模工作，直至通过检查；

3)航天器系统功能分析；

3.1)大系统模块及目标航天器系统外部接口定义，如图15所示，使用模型元素块定义目标系统黑盒模型，明确其与“任务边界与大系统接口定义”流程中系统块的继承关系，参考该流程定义目标系统黑盒模型的系统上下文；将目标系统黑盒模型作为航天器系统功能分析的核心对象和需求模型载体；如图16所示，建立目标系统黑盒模型的系统上下文的内部块图，根据场景中跨泳道对象流，为航天器系统和外部系统定义项目流(ItemFlow)及接口；完成内部块图的接口关系设计后，使用建模软件功能自动生成接口控制文件(ICD)；

3.2)关键事件分析及黑盒综合，如图17所示，从用例图的每个用例出发，建立带泳道的活动图，其中一泳道代表航天器系统，其他泳道代表相关系统或用户，表达用例应用场景；建立不同的“航天器系统功能分析”包对应不同的场景模型，以支持多方案探索和权衡；场景模型建立完成后，应将所有活动按照执行者进行分类管理，分别建立不同的包，多个执行者共用的功能应建立一个共用功能包；使用目标系统黑盒模型的操作属性(Operation)定义系统的黑盒功能；目标系统黑盒模型的功能应能完全覆盖所有场景中目标系统黑盒模型被分配的行为；如图18所示，使用状态机模型，以状态(可以理解为特定的工作模式)和状态的跳转作为功能触发的载体；使用状态机模型仿真验证目标航天器系统的所有行为，通过验证后，将该状态机模型认定为黑盒行为设计阶段的成果；通过场景仿真自动生成时序图，通过时序图与场景模型比对开展场景基于模型的方案验证；

3.3)航天器系统方案权衡，如图19所示，使用参数图建立定量指标分析模型对多个不同的系统功能设计方案进行权衡，分析系统利益攸关者需求与功能设计指标之间的定量计算关系；当两个方案中系统功能的设计不同时，应定义两个不同的航天器系统块构建场景模型，进而分析不同方案的差异；通过参数计算支持方案权衡，最终确定最优方案；

3.4)航天器系统技术要求定义，如图20所示，使用需求图或需求表定义航天器系统需求，建立系统需求与利益攸关者需求和系统黑盒模型的追溯矩阵；

3.5)航天器系统功能分析综合检查，如图21所示，在航天器系统功能分析检查中，建立航天器系统技术要求与目标系统黑盒模型属性的追溯矩阵以及航天器系统技术要求与系统利益攸关者需求的追溯矩阵，检查追溯矩阵覆盖性以验证设计和建模的完整性；

4)总体初步方案设计；

4.1)分系统配置设计及接口定义，如图22所示，使用模型元素块定义分系统组成的目标航天器系统白盒模型，并继承自目标系统黑盒模型，为每一个分系统定义一个块并作为白盒模型的组成部分；如图23所示，为白盒模型建立内部块图，根据初步设计定义出分系统之间可能存在的连接，在白盒模型的内部块图中，根据白盒模型中识别出的跨泳道对象流，为分系统定义项目流(ItemFlow)以及接口；在完成分系统交互关系定义后，建立分配矩阵(AllocationMatrix)，建立白盒模型中对象流向项目流的映射关系，矩阵中的每一个对象流都应映射到了某个项目流中，且不存在没有映射关系的项目流；根据需要自动生成接口控制文件(ICD)；

4.2)航天器系统功能实现分析及总体初步设计行为综合，如图24所示，从航天器系统白盒模型的操作(Operation)属性中对继承而来的操作进行逐一重构(Redefine)，创建新的活动(Activity)作为重构后操作的方法(Method)，然后建立新活动的活动图，在该活动图中表达方法实现的细节；如图25所示，为各分系统设计状态机模型，综合白盒模型功能设计活动图中的功能执行顺序，梳理分系统功能触发逻辑并编排到特定状态中，通过状态机模型的逻辑仿真验证分系统行为模型的正确性；

4.3)航天器系统总体初步方案权衡，如图26所示，针对多个总体初步设计方案，使用参数图建立定量指标分析模型，分析系统需求与方案指标的定量关系；不同的逻辑架构方案从架构组成分析开始应定义不同的模型分支，定义不同的航天器系统白盒模型，例如分别命名为“XX航天器系统白盒模型A”和“XX航天器系统白盒模型B”；使用块定义图定义问题分析框架，命名为“XX权衡分析框架”，将要分析的分系统块用组合关系关联到分析框架中；通过参数计算支持方案权衡，确定最优方案；

4.4)分系统技术要求定义，如图27所示，使用需求图或需求表建立分系统的需求模型，定义条目化的分系统需求，建立分系统需求与系统需求的追溯矩阵以及分系统需求与分系统架构模型的追溯矩阵；

4.5)航天器系统总体初步方案综合检查，如图28所示，进行分系统技术要求与总体初步方案、航天器系统技术要求的追溯分析，建立分系统技术要求与分系统(黑盒)模型块属性的追溯矩阵以及分系统技术要求中的条目化分系统需求与航天器系统技术要求中的系统需求的追溯矩阵，集中显示追溯关系，通过检查覆盖性，验证总体初步方案设计阶段的完整性和准确性；

5)分系统方案设计；

5.1)单机配置设计及接口定义，如图29所示，使用块定义图为分系统定义结构组成部分，从而得到分系统白盒模型；如图30所示，为分系统白盒模型建立内部块图，建立分系统各组成部分的连接；根据分系统白盒功能模型中识别出的跨泳道对象流，为分系统定义项目流以及接口，建立对象流和项目流的追溯关系；

分系统白盒功能模型为分系统白盒模型的一部分；

5.2)分系统功能实现分析及行为综合，如图31所示，针对分系统白盒模型中继承自分系统黑盒模型的功能，即操作(Operation)属性进行逐一重构(Redefine)，创建新的活动(Activity)作为重构后操作的方法(Method)，然后建立新活动的活动图，在该活动图中表达方法实现的细节，形成分系统白盒功能模型，从而将分系统的功能进行分解并分配至单机；为各单机定义行为模型，可以使用SysML状态机模型，也可以使用其他专业学科级模型，例如Modelica模型、MatLab模型等，通过专业仿真平台验证各单机行为模型的正确性；

5.3)分系统方案权衡，如对多种不同的分系统设计方案，使用SysML的参数图模型和多学科建模与仿真工具分析不同方案的优劣势，并从中择优选择出分系统方案；

5.4)单机技术要求定义，如图32所示，根据最终权衡的分系统方案，为每个单机模型定义条目化需求模型，梳理形成各单机的技术要求；

单机行为模型为单机模型的一部分；

5.5)分系统设计方案综合检查，如图33所示，进行单机技术要求与分系统设计方案、分系统技术要求的追溯分析，建立单机需求与单机(黑盒)模型块属性的追溯矩阵，检查追溯关系覆盖性，验证分系统设计阶段的完整性和准确性；

6)总体最终方案综合；

6.1)分系统方案验证：系统综合验证前，定义分系统测试验证模型和测试用例模型，接入分系统白盒模型，仿真验证其设计是否满足总体初步方案的技术要求；

6.2)航天器系统飞行程序验证确认：针对航天器系统用例定义测试用例模型，基于模型仿真验证总体设计方案复现飞行程序，从而对利益攸关者需求进行验证和确认；

6.3)航天器系统设备配套及接口综合，如图34所示，对照总体初步设计方案，使用块定义图定义航天器系统设备配套综合集成架构，将各分系统白盒模型定义为该集成架构的组成部分；如图35所示，在集成架构的内部块图中，按照总体初步设计方案定义各分系统的接口连接关系；

6.4)系统方案验证：综合集成各分系统白盒模型，构建测试用例模型，仿真验证航天器系统总体方案是否满足技术要求。

本发明采用基于SysML的系统工程方法，提出了航天器系统设计模型的组织结构、建模流程以及详细建模要求，支持需求捕获及分析、系统重用以及系统优化与评估，支持大规模复杂通用航天器系统的数字化建模，提高航天器研制效率和研制质量。

Claims (9)

1.基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，包括：

1)以包的形式逐层建立目标航天器系统设计模型的组织结构；

2)工程任务及需求分析；

3)航天器系统功能分析；

4)总体初步方案设计；

5)分系统方案设计；

6)总体最终方案综合。

2.如权利要求1所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤1)包括：

1.1)以包的形式建立目标航天器系统设计模型的组织结构的第一层，包括：交换项类型定义、工程任务及需求分析、目标航天器总体设计、分系统方案设计以及总体最终设计方案综合五个包；

1.2)以包的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第二层，包括：在工程任务及需求分析下建立用户或项目需求、任务运行分析与用例、任务边界与大系统接口定义、工程任务指标分析、任务定义域分析综合检查；在目标航天器总体设计下建立航天器系统功能分析以及航天器总体初步方案设计；在分系统方案设计下建立不同分系统方案设计；在总体最终设计方案综合中建立分系统方案验证、航天器设备配套及接口综合、系统方案验证、航天器飞行程序验证确认以及总体最终方案设计综合检查；

1.3)以包的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第三层，包括：在用户或项目需求下建立工程任务目标和利益攸关者需求；在任务运行分析与用例中建立任务运行分析以及航天器用例定义；在工程任务指标分析下建立目标航天器物理特性；在任务定义与分析综合检查下建立利益攸关者需求与指标约束追溯分析、关键事件与任务目标追溯分析、用例与任务剖面与关键事件追溯分析、用例与利益攸关者追溯分析；在航天器系统功能分析下建立航天器功能方案、航天器功能设计方案权衡、航天器技术要求定义、航天器功能分析综合检查；在航天器总体初步方案设计下建立航天器总体初步方案、航天器总体初步方案权衡、分系统技术要求；在分系统方案设计中建立分系统单机配置设计、分系统功能实现分析、分系统单机接口定义、分系统指标体系分析、分系统单机技术要求、分系统设计方案综合检查、分系统单机最终方案综合验证；

1.4)以包的形式建立航天器系统设计模型的组织结构的第四层，包括：在目标航天器功能方案下建立大系统模块定义、关键事件分析、航天器系统外部接口定义、航天器系统指标体系分析；在航天器系统功能分析综合检查下建立航天器系统技术要求与功能设计方案追溯、航天器系统技术要求与利益攸关者需求追溯；在航天器系统总体初步方案下建立航天器分系统配置设计、系统功能实现分析、分系统接口定义、航天器总体初步方案参数分析；在分系统技术要求下建立不同分系统技术要求；在分系统设计方案综合检查下建立单机技术要求与分系统设计方案追溯、单机技术要求与分系统技术要求追溯。

3.如权利要求1所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

2.1)用户或项目性需求定义，以需求图或需求表的形式将工程任务目标和目标航天器系统的要求建模为条目化需求，建立工程任务目标需求模型以及航天器系统利益攸关者需求模型；

2.2)任务运行分析与用例定义，从全生命周期视角对航天器系统的利益攸关者进行识别并补充必要的需求；

2.3)任务边界与大系统接口定义，基于研制总要求和运行分析，建立块定义图，使用模型元素块定义系统上下文，使用块定义航天器系统以及在航天器系统运行中与之有交互关系的外部系统，并将其定义为系统上下文的组成部分；系统上下文建立内部块图，使用连接器将航天器系统与外部系统建立连接；检查用例图中所有与系统用例相连的外部系统是否都在系统上下文的内部块图中完成了定义，并与航天器系统连接；

2.4)工程任务指标分析，针对利益攸关者需求中的性能指标、安全性、可靠性定量需求，在目标航天器系统的块中定义指标值，通过约束块定义定量需求的数学表达式，并将其作为目标航天器系统的约束属性；使用参数图定义约束属性与指标值之间的参数传递关系；

2.5)任务定义与分析综合检查，开展利益攸关者需求与指标约束、关键事件与任务目标、系统用例与任务剖面及关键事件、系统用例与利益攸关者需求的追溯分析；构建追溯矩阵，集中显示追溯关系，通过检查覆盖性验证任务定义与分析阶段的设计和建模工作是否完整，若不满足要求，需完善设计和建模工作，直至通过检查。

4.如权利要求3所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤2.2)包括：通过运行概念的梳理识别航天器系统在全生命周期的主要运行过程，使用活动图描述工程任务运行阶段；使用活动图细化每个任务剖面，定义为飞行程序；在飞行程序中识别目标航天器系统的参与活动，定义为关键事件；对关键事件清单进行综合分析，对利益攸关者需求中的功能需求进行梳理，结合目标航天器系统全生命周期各阶段的顶层功能需求分析，使用用例图建立目标航天器系统的用例模型，定义为系统用例；完成用例建模后，叶节点用例应建立与对应关键事件或利益攸关者需求的细化关系。

5.如权利要求1所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤3)包括：

3.1)大系统模块及目标航天器系统外部接口定义，使用模型元素块定义目标系统黑盒模型，明确其与“任务边界与大系统接口定义”流程中系统块的继承关系，参考该流程定义目标系统黑盒模型的系统上下文；将目标系统黑盒模型作为航天器系统功能分析的核心对象和需求模型载体；建立目标系统黑盒模型的系统上下文的内部块图，根据场景中跨泳道对象流，为航天器系统和外部系统定义项目流及接口；完成内部块图的接口关系设计后，使用建模软件功能自动生成接口控制文件；

3.2)关键事件分析及黑盒综合，从用例图的每个用例出发，建立带泳道的活动图，其中一泳道代表航天器系统，其他泳道代表相关系统或用户，表达用例应用场景；建立不同的“航天器系统功能分析”包对应不同的场景模型，以支持多方案探索和权衡；场景模型建立完成后，应将所有活动按照执行者进行分类管理，分别建立不同的包，多个执行者共用的功能应建立一个共用功能包；使用目标系统黑盒模型的操作属性定义系统的黑盒功能；目标系统黑盒模型的功能应能完全覆盖所有场景中目标系统黑盒模型被分配的行为；使用状态机模型，以状态和状态的跳转作为功能触发的载体；使用状态机模型仿真验证目标航天器系统的所有行为，通过验证后，将该状态机模型认定为黑盒行为设计阶段的成果；通过场景仿真自动生成时序图，通过时序图与场景模型比对开展场景基于模型的方案验证；

3.3)航天器系统方案权衡，使用参数图建立定量指标分析模型对多个不同的系统功能设计方案进行权衡，分析系统利益攸关者需求与功能设计指标之间的定量计算关系；当两个方案中系统功能的设计不同时，应定义两个不同的航天器系统块构建场景模型，进而分析不同方案的差异；通过参数计算支持方案权衡，最终确定最优方案；

3.4)航天器系统技术要求定义，使用需求图或需求表定义航天器系统需求，建立系统需求与利益攸关者需求和系统黑盒模型的追溯矩阵；

3.5)航天器系统功能分析综合检查，在航天器系统功能分析检查中，建立航天器系统技术要求与目标系统黑盒模型属性的追溯矩阵以及航天器系统技术要求与系统利益攸关者需求的追溯矩阵，检查追溯矩阵覆盖性以验证设计和建模的完整性。

6.如权利要求1所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤4)包括：

4.1)分系统配置设计及接口定义，使用模型元素块定义分系统组成的目标航天器系统白盒模型，并继承自目标系统黑盒模型，为每一个分系统定义一个块并作为白盒模型的组成部分；为白盒模型建立内部块图，根据初步设计定义出分系统之间可能存在的连接，在白盒模型的内部块图中，根据白盒模型中识别出的跨泳道对象流，为分系统定义项目流以及接口；在完成分系统交互关系定义后，建立分配矩阵，建立白盒模型中对象流向项目流的映射关系，矩阵中的每一个对象流都应映射到了某个项目流中，且不存在没有映射关系的项目流；根据需要自动生成接口控制文件；

4.2)航天器系统功能实现分析及总体初步设计行为综合，从航天器系统白盒模型的操作属性中对继承而来的操作进行逐一重构，创建新的活动作为重构后操作的方法，然后建立新活动的活动图，在该活动图中表达方法实现的细节；为各分系统设计状态机模型，综合白盒模型功能设计活动图中的功能执行顺序，梳理分系统功能触发逻辑并编排到特定状态中，通过状态机模型的逻辑仿真验证分系统行为模型的正确性；

4.3)航天器系统总体初步方案权衡，针对多个总体初步设计方案，使用参数图建立定量指标分析模型，分析系统需求与方案指标的定量关系；不同的逻辑架构方案从架构组成分析开始应定义不同的模型分支，定义不同的航天器系统白盒模型；使用块定义图定义问题分析框架，将要分析的分系统块用组合关系关联到分析框架中；通过参数计算支持方案权衡，确定最优方案；

4.4)分系统技术要求定义，使用需求图或需求表建立分系统的需求模型，定义条目化的分系统需求，建立分系统需求与系统需求的追溯矩阵以及分系统需求与分系统架构模型的追溯矩阵；

4.5)航天器系统总体初步方案综合检查，进行分系统技术要求与总体初步方案、航天器系统技术要求的追溯分析，建立分系统技术要求与分系统模型块属性的追溯矩阵以及分系统技术要求中的条目化分系统需求与航天器系统技术要求中的系统需求的追溯矩阵，集中显示追溯关系，通过检查覆盖性，验证总体初步方案设计阶段的完整性和准确性。

7.如权利要求1所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤5)包括：

5.1)单机配置设计及接口定义，使用块定义图为分系统定义结构组成部分，从而得到分系统白盒模型；为分系统白盒模型建立内部块图，建立分系统各组成部分的连接；根据分系统白盒功能模型中识别出的跨泳道对象流，为分系统定义项目流以及接口，建立对象流和项目流的追溯关系；

5.2)分系统功能实现分析及行为综合，针对分系统白盒模型中继承自分系统黑盒模型的功能，即操作属性进行逐一重构，创建新的活动作为重构后操作的方法，然后建立新活动的活动图，在该活动图中表达方法实现的细节，形成分系统白盒功能模型，从而将分系统的功能进行分解并分配至单机；为各单机定义行为模型，通过专业仿真平台验证各单机行为模型的正确性；

5.3)分系统方案权衡，如对多种不同的分系统设计方案，使用SysML的参数图模型和多学科建模与仿真工具分析不同方案的优劣势，并从中择优选择出分系统方案；

5.4)单机技术要求定义，根据最终权衡的分系统方案，为每个单机模型定义条目化需求模型，梳理形成各单机的技术要求；

5.5)分系统设计方案综合检查，进行单机技术要求与分系统设计方案、分系统技术要求的追溯分析，建立单机需求与单机模型块属性的追溯矩阵，检查追溯关系覆盖性，验证分系统设计阶段的完整性和准确性。

8.如权利要求7所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤5.2)中，为各单机定义行为模型，使用SysML状态机模型、Modelica模型或MatLab模型。

9.如权利要求1所述的基于SysML语言的通用航天器系统建模方法，其特征在于，所述步骤6)包括：

6.1)分系统方案验证：系统综合验证前，定义分系统测试验证模型和测试用例模型，接入分系统白盒模型，仿真验证其设计是否满足总体初步方案的技术要求；

6.2)航天器系统飞行程序验证确认：针对航天器系统用例定义测试用例模型，基于模型仿真验证总体设计方案复现飞行程序，从而对利益攸关者需求进行验证和确认；

6.3)航天器系统设备配套及接口综合，对照总体初步设计方案，使用块定义图定义航天器系统设备配套综合集成架构，将各分系统白盒模型定义为该集成架构的组成部分；在集成架构的内部块图中，按照总体初步设计方案定义各分系统的接口连接关系；

6.4)系统方案验证：综合集成各分系统白盒模型，构建测试用例模型，仿真验证航天器系统总体方案是否满足技术要求。