王 凱 韓 冰 黃平安 宇 峰

（中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與仿真軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）以其需求分析、正向設(shè)計(jì)以及支持V&V 活動等技術(shù)特征，在航空設(shè)計(jì)部門得到了越來越廣泛而深入的應(yīng)用。該工程一改以往基于文本的設(shè)計(jì)過程，引入基于模型的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)可驗(yàn)證和可追溯設(shè)計(jì)理念，通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)能夠協(xié)助設(shè)計(jì)師開展需求分析、方案和參數(shù)設(shè)計(jì)以及跨學(xué)科和專業(yè)的仿真驗(yàn)證，極大地降低了航空裝備設(shè)計(jì)過程中方案和硬件系統(tǒng)的修改與迭代次數(shù)，同時(shí)為不同部門、專業(yè)和系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)互聯(lián)以及基于模型的設(shè)計(jì)符合性驗(yàn)證提供了有效的工具集與方法論，并隨之在設(shè)計(jì)部門產(chǎn)生了大量寶貴的仿真模型和數(shù)據(jù)資源，一方面極大地提升了航空裝備設(shè)計(jì)過程的數(shù)字化水平，另一方面進(jìn)一步加大了航空制造企業(yè)與設(shè)計(jì)部門之間的數(shù)字互聯(lián)。為突破制造測試端與設(shè)計(jì)之間的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在航空裝備設(shè)計(jì)與制造測試階段的雙向流動，需將基于模型的系統(tǒng)工程方法論引入制造測試環(huán)節(jié)，構(gòu)建基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的設(shè)計(jì)-制造協(xié)同測試體系，實(shí)現(xiàn)基于模型的設(shè)計(jì)在制造測試階段的數(shù)據(jù)閉環(huán)。

1 基于模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

MBSE 是美國系統(tǒng)工程協(xié)會在《SE 愿景2020》系統(tǒng)工程遠(yuǎn)景規(guī)劃中提出的一種用來捕獲系統(tǒng)架構(gòu)、關(guān)系、需求和約束的系統(tǒng)工程方法，其規(guī)定在包括系統(tǒng)開發(fā)的整個(gè)生命周期內(nèi)，始終以模型為載體，支持開展系統(tǒng)要求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動。按照系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)計(jì)過程和任務(wù)階段的要求，MBSE將設(shè)計(jì)過程分解為需求（Requirements）定義、功能（Function）分析、邏輯（Logical）設(shè)計(jì)和物理（Physical）設(shè)計(jì)，簡稱為RFLP，其過程如圖1 所示[1]。

圖1 中左側(cè)描述了自頂向下的需求分析、邏輯和物理架構(gòu)設(shè)計(jì)過程，其結(jié)果是將外部需求通過專用仿真分析工具進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解，并分別在邏輯層和物理層完成指標(biāo)分解與架構(gòu)的初步設(shè)計(jì)；圖1 右側(cè)描述了自底向上的設(shè)計(jì)結(jié)果驗(yàn)證與確認(rèn)過程，按照設(shè)計(jì)結(jié)果（設(shè)備、系統(tǒng)方案和架構(gòu)）特征和規(guī)模，逐級開展模型設(shè)計(jì)、模型參數(shù)匹配、仿真驗(yàn)證、綜合集成測試確認(rèn)以及模型仿真與硬件測控系統(tǒng)的綜合驗(yàn)證，最終完成系統(tǒng)需求和功能的可行性和符合性驗(yàn)證與確認(rèn)[2]。在上述兩個(gè)過程中，模型作為功能和環(huán)境仿真輸出數(shù)據(jù)的源和信息解算載體，是基于MBSE 設(shè)計(jì)開發(fā)的核心要素。值得注意的是，上述FRLP 開發(fā)過程包含硬件開發(fā)與驗(yàn)證過程，在驗(yàn)證過程中，綜合模型的成熟度和相似度要以仿真數(shù)據(jù)為依據(jù)，通過構(gòu)建實(shí)物或硬件的測試系統(tǒng)，并采用實(shí)物逐級替代模型的方式，構(gòu)造半物理仿真測試環(huán)境，實(shí)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型與硬件測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)映射與綜合處理，從而完成針對特定設(shè)備、系統(tǒng)的聯(lián)合仿真測試，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)結(jié)果和性能更為全面系統(tǒng)地驗(yàn)證、考核與確認(rèn)。

圖1 FRLP 過程示意圖

通過FRLP 開發(fā)過程，在設(shè)計(jì)階段能夠形成設(shè)備、系統(tǒng)和環(huán)境仿真模型、模型運(yùn)行參數(shù)池以及仿真運(yùn)行數(shù)據(jù)庫等正向設(shè)計(jì)成果，該類成果一方面是指導(dǎo)設(shè)計(jì)開展硬件設(shè)計(jì)與迭代完善的重要依據(jù)，另一方面是指支持制造測試端進(jìn)行設(shè)計(jì)符合性驗(yàn)證與制造符合性檢查的唯一數(shù)據(jù)源，為制造測試階段開展基于模型的系統(tǒng)功能驗(yàn)證與檢查提供了依據(jù)。

2 模型仿真符合性原理

模型仿真的目的是依據(jù)模型運(yùn)行輸出結(jié)果來評價(jià)和研究模型、系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的功能和性能，其中仿真結(jié)果與真實(shí)系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果是否匹配，是基于MBSE 開展工程實(shí)踐前需要明確的一個(gè)關(guān)鍵問題。因?yàn)槟Ｐ头抡娴妮敵鲂畔⒖煞譃殪o態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，所以對不同的數(shù)據(jù)可采用不同的分析方法。

2.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)模型分析

對于靜態(tài)數(shù)據(jù)模型，可采用非參數(shù)檢驗(yàn)法中的秩和檢驗(yàn)法進(jìn)行評定[3]?；谥壤碚?，Wilcoxon 提出用其中容量較小樣本的秩和作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，假設(shè)m≤n，選擇Y的樣本(Y1,Y2,…,Ym)在混合樣本中的秩和作為檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，即：

則可以證明：

經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)最小值(n,m)＞7 時(shí)，T為正態(tài)分布近似統(tǒng)計(jì)量，此時(shí)可以其獲得相當(dāng)精確的近似結(jié)果。因此，根據(jù)式（1）可設(shè)計(jì)一個(gè)秩和檢驗(yàn)分位表，對于給定的n、m及顯著性水平a，在分位表中查到滿足下列關(guān)系的T1和T2：

式中：當(dāng)T1＜T2時(shí)，樣本(X1,X2,…,Xn) 與樣本(Y1,Y2,…,Ym)相容。

一般地，在使用上述方法時(shí)，可查找分位表得到T1和T2，使得：

則其否定域?yàn)椋?/p>

將兩個(gè)樣本觀測值進(jìn)行混合排序，獲得樣本容量較小的樣本中每個(gè)分量的秩，并計(jì)算統(tǒng)計(jì)量T的觀察值，判斷其是否落入否定域G，若T≤T1或T≥T2，則否定原假設(shè)，即認(rèn)為兩個(gè)子樣本不是來自同一總體，反之則接受原假設(shè)，認(rèn)為兩個(gè)樣本是相容的。

2.2 動態(tài)數(shù)據(jù)模型分析

對于動態(tài)數(shù)據(jù)模型，可采用時(shí)域TIC 不等式系數(shù)法進(jìn)行判定。設(shè)xt為仿真模型輸出序列，yt為實(shí)際系統(tǒng)輸出序列或理論期望值，并取數(shù)據(jù)長度為N，定義標(biāo)量TIC 函數(shù)如下：

根據(jù)式（6）可知，ρ(x,y)具備如下特性：

（1）反身性，即ρ(x,y)=ρ(y,x)；

（2）規(guī)范性，即0 ≤ρ(x,y)≤1，其中ρ=0 表示對所有的t=1,2,…,N有xt=yt，即xi和yi完全一致，ρ=1 表示xi和yi之間的一種最不相關(guān)的情況；

（3）ρ越小，表明xi和yi的一致性越好。

綜上所述，可采用秩和檢驗(yàn)法與TIC 不等式系數(shù)法分別評估仿真結(jié)果的靜態(tài)數(shù)據(jù)模型和動態(tài)數(shù)據(jù)模型，從理論上完成模型與實(shí)物的相關(guān)性驗(yàn)證。

3 基于模型的系統(tǒng)測試關(guān)鍵要素

3.1 傳統(tǒng)測試在技術(shù)層面的表現(xiàn)

隨著航空裝備復(fù)雜度量級的不斷躍升，傳統(tǒng)基于文本的測試面臨越來越大的挑戰(zhàn)，該測試在技術(shù)層面主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：

（1）基于自然語言描述的文檔一致性差，導(dǎo)致溝通效率低且容易出現(xiàn)歧義；

（2）自然語言容易陷入模糊描述，導(dǎo)致難以保證描述的準(zhǔn)確性；

（3）文本描述的元素之間無法實(shí)現(xiàn)追溯分析，當(dāng)上游出現(xiàn)變更時(shí)難以對影響進(jìn)行準(zhǔn)確評估[4]；

（4）基于文本的方案無法與數(shù)字化模型直接關(guān)聯(lián)；

（5）基于文本的測試需依托堆疊大量資源完成需求轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致所需要的軟、硬件資源通用性差、利用率低。

3.2 傳統(tǒng)測試在數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層面的表現(xiàn)

從設(shè)計(jì)-制造協(xié)同及裝備全壽命周期管理與維護(hù)角度出發(fā)，傳統(tǒng)的測試體系在數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用層面存在以下短板：

（1）基于文本的測試在需求分析、測試架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中無法直接應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)成果，阻斷了設(shè)計(jì)-制造測試過程數(shù)據(jù)的雙向流動；

（2）不同測試系統(tǒng)間難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備、功能和數(shù)據(jù)的互聯(lián)與綜合；

（3）文本描述對硬件資源的約束導(dǎo)致難以實(shí)現(xiàn)測試功能與硬件資源解耦合，隨著被測對象復(fù)雜程度提高，對硬件資源的依賴程度隨之加大；

（4）難以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化與普適化。

基于文本的測試技術(shù)和數(shù)據(jù)管理瓶頸見圖2。

圖2 基于文本的測試瓶頸

綜上所述，基于文本的系統(tǒng)測試因其固有缺陷，難以適應(yīng)航空裝備設(shè)計(jì)-制造協(xié)同的統(tǒng)一數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)管理維護(hù)以及測試高效能要求。另外，系統(tǒng)、整機(jī)測試作為綜合性、復(fù)雜度高的研制環(huán)節(jié)，也成為了制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程的一個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。因此，需著重研究如何實(shí)現(xiàn)基于模型驅(qū)動的數(shù)字化測試體系轉(zhuǎn)變。

3.3 實(shí)現(xiàn)測試轉(zhuǎn)型的核心要素

綜合分析系統(tǒng)測試技術(shù)特征與基于模型的系統(tǒng)工程架構(gòu)和運(yùn)行特性，為實(shí)現(xiàn)由基于文本的系統(tǒng)測試轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ万?qū)動的數(shù)字化測試體系，需關(guān)注以下幾個(gè)核心要素：

3.3.1 建立統(tǒng)一的工具集

在MBSE 統(tǒng)一方法論基礎(chǔ)上，構(gòu)建滿足不同設(shè)備、系統(tǒng)仿真測試需求的工具集，對于不同仿真工具，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自由交換為目標(biāo)，建立以統(tǒng)一數(shù)據(jù)源為核心的開放式數(shù)據(jù)管理體系。

3.3.2 貫徹基于模型的測試系統(tǒng)正向設(shè)計(jì)理念

在測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，以實(shí)現(xiàn)測試功能為導(dǎo)向，綜合運(yùn)用MBSE 工具，自頂向下開展設(shè)計(jì)需求分析，自底向上開展功能仿真實(shí)現(xiàn)、邏輯和邊界條件設(shè)計(jì)，形成完備的仿真模型和環(huán)境。

3.3.3 模型設(shè)計(jì)、運(yùn)行與維護(hù)

為構(gòu)建完整的MBSE 測試生態(tài)體系，在承接上游模型開發(fā)成果的基礎(chǔ)上，測試系統(tǒng)開發(fā)人員應(yīng)能夠運(yùn)用統(tǒng)一的工具集，針對測試模型與環(huán)境模型開展設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)與數(shù)據(jù)分析和管理，從而形成完備的仿真測試能力。

3.3.4 打通仿真軟件與物理測試系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)壁壘

為實(shí)現(xiàn)在仿真模型中驅(qū)動測試系統(tǒng)與被測設(shè)備，并構(gòu)建硬件在環(huán)和虛實(shí)映射的系統(tǒng)測試體系，需實(shí)現(xiàn)測試模型與硬件測試系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)流動，一方面，作為測試載體的模型，其仿真結(jié)果應(yīng)能夠按照測試流程要求加載到測試設(shè)備進(jìn)而驅(qū)動被測系統(tǒng)；另一方面，模型應(yīng)能夠接收測試系統(tǒng)采集的被測系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并根據(jù)模型約束條件進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整與激勵。

3.3.5 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)-制造測試數(shù)據(jù)綜合與數(shù)據(jù)閉環(huán)

航空裝備制造測試階段作為基于模型的設(shè)計(jì)RFLP 過程中系統(tǒng)/整機(jī)設(shè)計(jì)符合性驗(yàn)證的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，需建立面向設(shè)計(jì)模型的數(shù)據(jù)反饋機(jī)制，同時(shí)依托裝備制造階段測試數(shù)據(jù)與實(shí)物的高度符合性，通過基于模型的系統(tǒng)和整機(jī)測試，獲得被測對象更為精準(zhǔn)的測試結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對設(shè)計(jì)模型參數(shù)、狀態(tài)更為細(xì)致的反饋，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，同時(shí)從更為宏觀的層面實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生測試，進(jìn)一步提升系統(tǒng)測試深度與效能。系統(tǒng)中各要素結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 基于模型的數(shù)字化測試體系轉(zhuǎn)變要素

4 應(yīng)用優(yōu)勢

系統(tǒng)和整機(jī)測試是航空裝備研制過程中數(shù)據(jù)集中產(chǎn)生、匯聚、分析和管理的環(huán)節(jié)，相關(guān)數(shù)據(jù)蘊(yùn)含裝備設(shè)計(jì)與制造符合性核心信息，通過基于模型的系統(tǒng)工程，構(gòu)建面向功能實(shí)現(xiàn)、具備高度靈活性、多模態(tài)以及虛實(shí)結(jié)合的“場景+數(shù)據(jù)”測試系統(tǒng)，能夠在飛機(jī)制造測試階段對系統(tǒng)和整機(jī)的功能和性能分別進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造符合性檢查。通過比對模型仿真與實(shí)物測試結(jié)果，打造面向設(shè)計(jì)-制造協(xié)同的數(shù)字孿生測試系統(tǒng)和多專業(yè)、多層次聯(lián)合仿真制造測試體系，能夠?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)和整機(jī)的虛實(shí)映射測試、故障診斷、模型試飛、遠(yuǎn)程維保等功能。同時(shí)，以仿真工具系列化、測試硬件資源通用化與測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化為切入點(diǎn)，打造面向數(shù)據(jù)的測試、驗(yàn)證與質(zhì)保體系，能夠突破傳統(tǒng)飛機(jī)測試模式，提升制造階段的測試深度、測試質(zhì)量和數(shù)字化水平，實(shí)現(xiàn)航空裝備制造企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

5 結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，基于模型的系統(tǒng)工程作為一種較為成熟的系統(tǒng)工程方法，在復(fù)雜航空裝備設(shè)計(jì)-制造領(lǐng)域展現(xiàn)出強(qiáng)大的適應(yīng)性與生命力，通過構(gòu)建面向制造測試階段的仿真測試體系，實(shí)現(xiàn)從測試需求分析、方案設(shè)計(jì)、模型仿真到虛實(shí)映射測試、系統(tǒng)與整機(jī)完整測試、測試數(shù)據(jù)分析和管理以及測試數(shù)據(jù)與模型互動等全流程、全要素的信息綜合與數(shù)據(jù)綜合，為航空裝備研制及全生命周期保障提供了數(shù)字化的方法論與工具集，同時(shí)也為航空裝備制造企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了方向。