彭新家，馬振康

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)后，數(shù)字化理念和技術(shù)手段開始大量涌入工業(yè)制造領(lǐng)域，推動(dòng)著工業(yè)制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程(Model-Based System Engineering，簡(jiǎn)稱MBSE)理念的出現(xiàn)，逐漸呈現(xiàn)出了區(qū)別于傳統(tǒng)基于文檔的系統(tǒng)工程(Document-Based System Engineering，簡(jiǎn)稱DBSE)理念的優(yōu)勢(shì)。它將以文檔為主要載體、以自然語言為描述手段的傳統(tǒng)方式，轉(zhuǎn)變成了以模型為主要載體、以建模語言為描述手段的方式，能夠有效解決大型復(fù)雜工業(yè)產(chǎn)品在論證、設(shè)計(jì)、開發(fā)和制造時(shí)，帶來的表意模糊、上下游傳遞不夠精準(zhǔn)、設(shè)計(jì)協(xié)同困難以及技術(shù)狀態(tài)難以追溯等技術(shù)和管理方面的問題。

MBSE設(shè)計(jì)理念最早出現(xiàn)在航空、航天及汽車制造等領(lǐng)域，近些年也不斷在復(fù)雜電子裝備中進(jìn)行實(shí)踐與應(yīng)用，而雷達(dá)作為在國(guó)防軍事電子裝備中占有重要地位的產(chǎn)品，也在推廣應(yīng)用中。架構(gòu)分析與設(shè)計(jì)集成(Architecture Analysis and Design Integrated Approach，簡(jiǎn)稱Arcadia)方法論作為MBSE設(shè)計(jì)理念最新的工程實(shí)踐，基于SysML擴(kuò)展的建模語言，通過以特定建模工具Capella為支撐，可涵蓋雷達(dá)作戰(zhàn)任務(wù)分析、需求指標(biāo)管理、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造試驗(yàn)、維護(hù)運(yùn)行支持等全過程階段。

本文圍繞雷達(dá)系統(tǒng)，介紹了基于Arcadia/Capella方法，完成雷達(dá)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)、需求工程化設(shè)計(jì)、系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)驗(yàn)證以及系統(tǒng)工程生命周期管理等研究，為雷達(dá)系統(tǒng)全壽命周期活動(dòng)提供了重要支撐?；贏rcadia/Capella方法的工程運(yùn)用探索，符合雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)未來發(fā)展趨勢(shì)，具有重要的研究意義。

1 Arcadia/Capella設(shè)計(jì)方法概述

MBSE的概念最早于1993年被提出，2007年在國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)(INCOSE)上進(jìn)行定義并開始推廣。在2010年后，進(jìn)入快速發(fā)展階段。在發(fā)展過程中，MBSE的“三要素”(語言、方法論和工具)也在不斷更新迭代、不斷擴(kuò)展。建模語言先后出現(xiàn)了統(tǒng)一建模語言(UML)、系統(tǒng)建模語言(SysML)、特定域建模語言(DSML)等，建模方法論也先后出現(xiàn)了Harmony-SE方法、OOSEM方法、DSM方法等，而依托建模語言和建模方法論推出的建模工具更是層出不窮，如System Architect(SA)、IBM公司的Rational Rhapsody、Dassault公司的Magic Cyber System Engineer及No Magic公司的Magic Draw等。2008年Thales公司開始基于Arcadia方法論開發(fā)Capella建模工具，并于2014年開發(fā)出來，推動(dòng)了Capella生態(tài)圈建設(shè)[1-4]。

Thales公司依據(jù)Arcadia方法論建立的ARCADIA SysML語言，該語言中模型元素和視圖能覆蓋SysML相應(yīng)的元素和視圖，并且結(jié)合工程實(shí)際對(duì)SysML進(jìn)行了封裝優(yōu)化，在繼承SysML語言優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，增強(qiáng)功能分析能力，采用系統(tǒng)思維，并結(jié)合了美國(guó)國(guó)防部架構(gòu)框架(DoDAF)的相關(guān)理念。該建模語言操作方便，并且更為符合設(shè)計(jì)工程師的使用習(xí)慣，解決了基于UML的SysML語言傾向軟件思維的問題，減少了設(shè)計(jì)工程師對(duì)傳統(tǒng)SysML語法的學(xué)習(xí)和理解時(shí)間[5]。

脫胎于Arcadia方法的Capella可為設(shè)計(jì)工程師的建模活動(dòng)提供向?qū)?，通常在開發(fā)過程中分為4個(gè)工作層級(jí)：運(yùn)行分析(Operational Analysis，OA)、系統(tǒng)分析(System Analysis，SA)、邏輯架構(gòu)(Logical Architecture，LA)和物理架構(gòu)(Physical Architecture，PA)。通過上述4個(gè)工作層級(jí)，將系統(tǒng)需求模型化，分析系統(tǒng)的用戶需求(如作戰(zhàn)過程等)、系統(tǒng)的需求(如使命任務(wù)等)、確定分系統(tǒng)組成以及各分系統(tǒng)物理組成等。

2 基于Arcadia/Capella的雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

雷達(dá)作為國(guó)防電子裝備的重要組成部分，涉及電訊、軟件、結(jié)構(gòu)、環(huán)控、工藝等跨專業(yè)多學(xué)科協(xié)同，是典型的復(fù)雜系統(tǒng)。在以MBSE設(shè)計(jì)理念對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)，需針對(duì)雷達(dá)自身特點(diǎn)，建立一套涉及雷達(dá)全流程的技術(shù)開發(fā)和管理的體系平臺(tái)。

本文在進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，遵循Arcadia方法論，以Capella建模工具為載體，重點(diǎn)從雷達(dá)全壽命周期中的概念論證設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段和初步技術(shù)設(shè)計(jì)階段，圍繞雷達(dá)系統(tǒng)建模、需求工程化、雷達(dá)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)驗(yàn)證和雷達(dá)系統(tǒng)工程生命周期管理等幾個(gè)方面展開。針對(duì)某雷達(dá)的MBSE方案框架見圖1。

圖1 某雷達(dá)的MBSE方案框架

圍繞上述MBSE方案框架，在概念論證階段以低空反導(dǎo)模式為主線進(jìn)行雷達(dá)能力論證建模分析，捕獲低空反導(dǎo)模式下的雷達(dá)主要能力要求，并通過與Matlab的集成進(jìn)行雷達(dá)威力等的驗(yàn)算。方案設(shè)計(jì)和初步設(shè)計(jì)階段承接論證階段的系統(tǒng)模型和數(shù)據(jù)進(jìn)行基于模型的雷達(dá)總體需求分析，捕獲雷達(dá)開發(fā)的總體性能需求、功能需求、技術(shù)開發(fā)需求等。

2.1 雷達(dá)系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)

用戶需求作為雷達(dá)建模的輸入，通過用戶需求和雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)，在Capella建模工具內(nèi)，開展雷達(dá)運(yùn)行分析、系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)建模，最終完成雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解。

為了設(shè)計(jì)過程方便，在開源Capella工具中開發(fā)指標(biāo)體系建模與管理軟件，承擔(dān)與功能邏輯模型相關(guān)聯(lián)的定量指標(biāo)的分析、建模與計(jì)算，實(shí)現(xiàn)將雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)關(guān)聯(lián)到初始化的OA中的運(yùn)行活動(dòng)模型，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的所有總體指標(biāo)到SA中的系統(tǒng)功能模型的關(guān)聯(lián)、所有分系統(tǒng)指標(biāo)到LA中的邏輯功能模型的關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)總體指標(biāo)向分系統(tǒng)指標(biāo)的分配和指標(biāo)核算。圖2為基于Arcadia/Capella的雷達(dá)建模流程。

圖2 基于Arcadia/Capella建模流程圖

以某雷達(dá)的建模過程為例，結(jié)合Arcadia方法論可以有效遞歸傳遞的特點(diǎn)，利用Capella中系統(tǒng)到子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換(System to Subsystem Transition)功能，將雷達(dá)總體向各子系統(tǒng)的模型進(jìn)行傳遞，各子系統(tǒng)從系統(tǒng)分析、邏輯架構(gòu)和物理架構(gòu)(PA)3個(gè)層級(jí)開展建模。

圖3為信號(hào)處理子系統(tǒng)在物理架構(gòu)層級(jí)的物理架構(gòu)視圖(PAB)，該視圖定義了信號(hào)處理的邏輯接口和物理接口。通過以上雷達(dá)總體和其子系統(tǒng)在4個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)建模，可在雷達(dá)方案論證階段，以模型完成總體需求定義，確?？傮w需求的完整性和一致性；通過建模理清復(fù)雜的邏輯關(guān)系，避免不可行的原理，將雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部交互接口梳理得更清晰。

圖3 某雷達(dá)信號(hào)處理子系統(tǒng)物理架構(gòu)視圖(PAB)

2.2 雷達(dá)需求工程化設(shè)計(jì)

Arcadia方法論的核心是基于需求驅(qū)動(dòng)的，雷達(dá)在基于模型開展系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，同樣由需求牽引。作為設(shè)計(jì)的開端，通過多重渠道、不同形式獲取用戶需求。因存在用戶參與度不夠、期望值不切實(shí)際，且需求會(huì)存在不斷變更和迭代完善的情況，在需求開發(fā)和管理的過程中，一般會(huì)引入需求開發(fā)和管理工具，運(yùn)用比較廣泛的工具有IBM Rational DOORS、3SL Cradle、Siemens TeamCenter RM等。這些工具，以不同的方式將不同類型的需求信息進(jìn)行歸類存儲(chǔ)，并通過建立相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)開發(fā)過程中的需求可追溯，以及需求變更管理等。同樣，通過選用指標(biāo)參數(shù)管理工具，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)戰(zhàn)技指標(biāo)的管理[6]。

為了將雷達(dá)系統(tǒng)的需求管理過程變得簡(jiǎn)單，并且可以追溯，將采用分層次的方法對(duì)雷達(dá)進(jìn)行分解，將雷達(dá)的項(xiàng)目、需求、研發(fā)工作分為項(xiàng)目層、產(chǎn)品層、分系統(tǒng)層來進(jìn)行管理，雷達(dá)的系統(tǒng)工程研制流程是在每一層完成循環(huán)迭代的過程。

基于雷達(dá)體系構(gòu)建完整的需求管理體系，使用不同的需求結(jié)構(gòu)樹分別管理利益相關(guān)方需求規(guī)范、雷達(dá)需求規(guī)范、雷達(dá)驗(yàn)證需求規(guī)范和設(shè)計(jì)驗(yàn)證需求規(guī)范，最終形成雷達(dá)的需求規(guī)范定義，某雷達(dá)的需求規(guī)范定義如圖4所示。

圖4 雷達(dá)需求規(guī)范定義

2.3 雷達(dá)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)驗(yàn)證

雷達(dá)的設(shè)計(jì)過程中，需求定義、系統(tǒng)建模、系統(tǒng)仿真、專業(yè)設(shè)計(jì)、多學(xué)科仿真在不同的環(huán)境中進(jìn)行。服務(wù)與頂層的系統(tǒng)技術(shù)管理流程和專業(yè)設(shè)計(jì)流程，要求設(shè)計(jì)分析和設(shè)計(jì)驗(yàn)證環(huán)境必須貫通并行，同時(shí)又要保證獨(dú)立運(yùn)行的性能。因此，基于系統(tǒng)工程架構(gòu)定義功能設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、專業(yè)與學(xué)科設(shè)計(jì)的并行上下文環(huán)境。

通過將Capella中構(gòu)建的雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)，利用系統(tǒng)工程平臺(tái)轉(zhuǎn)換成雷達(dá)系統(tǒng)功能架構(gòu)，將雷達(dá)系統(tǒng)功能接口、功能聯(lián)接進(jìn)行模型化定義，并實(shí)現(xiàn)功能架構(gòu)共享。某雷達(dá)系統(tǒng)的綜合設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 雷達(dá)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)架構(gòu)構(gòu)成

同樣，雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)在LA層級(jí)定義明確了雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成，利用系統(tǒng)工程平臺(tái)將其轉(zhuǎn)換為雷達(dá)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)，在邏輯塊間定義信息流與邏輯接口。在該架構(gòu)中，通過在邏輯塊定義內(nèi)部和外部的驗(yàn)證設(shè)計(jì)模型，可進(jìn)行邏輯算法仿真驗(yàn)證。利用系統(tǒng)工程平臺(tái)集成Matlab工具，可在雷達(dá)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)中封裝.m文件，在線執(zhí)行雷達(dá)系統(tǒng)仿真程序，并將仿真結(jié)果自動(dòng)回傳到系統(tǒng)工程平臺(tái)中。

以雷達(dá)系統(tǒng)的天線子系統(tǒng)為例，在雷達(dá)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)中，通過集成HFSS軟件，以標(biāo)準(zhǔn)仿真腳本實(shí)現(xiàn)天線參數(shù)化建模，通過輸入天線參數(shù)(如天線的幾何參數(shù))、仿真設(shè)置進(jìn)行自動(dòng)的求解計(jì)算，并自動(dòng)輸出天線的S參數(shù)、Z參數(shù)、方向圖等仿真結(jié)果文件。

在雷達(dá)系統(tǒng)綜合架構(gòu)中，將雷達(dá)系統(tǒng)邏輯架構(gòu)(LA)層級(jí)轉(zhuǎn)換為雷達(dá)系統(tǒng)仿真架構(gòu)，在系統(tǒng)仿真架構(gòu)中進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)多物理仿真的方案配置與接口集成配置；同時(shí)將雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)中確定系統(tǒng)內(nèi)部物理功能構(gòu)成的物理架構(gòu)(PA)層級(jí)，同步到系統(tǒng)仿真架構(gòu)，并進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部多物理仿真集成進(jìn)行配置。在雷達(dá)系統(tǒng)仿真架構(gòu)中，通過系統(tǒng)工程平臺(tái)進(jìn)行異構(gòu)工具集成與多學(xué)科仿真，解決了雷達(dá)涉及到的多學(xué)科耦合仿真驗(yàn)證難的問題。

本文以機(jī)相掃雷達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中天線波瓣方位的分析驗(yàn)證為例。通過系統(tǒng)工程平臺(tái)集成不同機(jī)構(gòu)工具，建立雷達(dá)天線座動(dòng)力學(xué)模型，并結(jié)合有限元模型及各向激勵(lì)完成剛?cè)狁詈夏Ｐ徒＃ㄟ^動(dòng)力學(xué)計(jì)算輸出天線結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)。

將變形后的雷達(dá)天線網(wǎng)格模型進(jìn)行天線電磁場(chǎng)仿真網(wǎng)格創(chuàng)建，通過定義天線激勵(lì)源，進(jìn)行電磁場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)仿真，獲取雷達(dá)遠(yuǎn)場(chǎng)天線波瓣。將最終的電磁場(chǎng)仿真結(jié)果回傳到系統(tǒng)工程平臺(tái)，從而完成雷達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中天線波瓣方位的分析驗(yàn)證。某雷達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中天線波瓣方位的分析驗(yàn)證如圖6所示。

圖6 某雷達(dá)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中天線波瓣方位的分析驗(yàn)證

2.4 雷達(dá)系統(tǒng)工程生命周期管理

雷達(dá)系統(tǒng)工程生命周期管理，是雷達(dá)基于MBSE開發(fā)的重要組成部分。系統(tǒng)工程基于雷達(dá)全生命周期應(yīng)用和管理要求定義7類模型，即系統(tǒng)模型、管理模型、理論模型、專業(yè)模型、仿真模型、實(shí)體模型以及試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。模型基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)管理，系統(tǒng)中創(chuàng)建模型的對(duì)象基于業(yè)務(wù)應(yīng)用要求進(jìn)行擴(kuò)展，獨(dú)立進(jìn)行模型規(guī)范定義、生命周期管理要求定義以及流程定義。

為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)/狀態(tài)記錄的準(zhǔn)確性、完整性和過程關(guān)聯(lián)性/可追溯性，有必要建立針對(duì)雷達(dá)的模型數(shù)據(jù)庫。將雷達(dá)開發(fā)過程中形成的雷達(dá)系統(tǒng)各類模型進(jìn)行可視化集中，方便調(diào)用、驗(yàn)證及傳遞，從而最終實(shí)現(xiàn)在正確的時(shí)間將正確的模型數(shù)據(jù)傳遞給正確的人，以進(jìn)行正確的使用。

3 虛擬集成雷達(dá)設(shè)計(jì)思考

在采用MBSE理念開發(fā)雷達(dá)時(shí)，往往會(huì)想到獲取虛擬集成雷達(dá)。通過高保真度的虛擬集成仿真，保證集成設(shè)計(jì)的正確性。而在基于Arcadia/Capella設(shè)計(jì)方法開展工作時(shí)，實(shí)際上在分析設(shè)計(jì)階段，是針對(duì)雷達(dá)的需求分析、功能分析、邏輯分析和架構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷分解及建立相互關(guān)聯(lián)的過程，包含著濃重的解耦思想。

而要實(shí)現(xiàn)虛擬集成雷達(dá)的開發(fā)，則需要建立一個(gè)具有完備性和高算力的雷達(dá)系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)涉及雷達(dá)系統(tǒng)的所有多學(xué)科、多專業(yè)異構(gòu)模型在較高實(shí)時(shí)性下的集成仿真，是一個(gè)集成耦合的思想。目前來看，這仍屬于行業(yè)內(nèi)的難題。

針對(duì)上述問題，對(duì)虛擬集成雷達(dá)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討研究。虛擬集成雷達(dá)的設(shè)計(jì)思路如下：首先，需針對(duì)系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)完成集成仿真接口定義，將涉及到有關(guān)聯(lián)的各ECAD和MCAD等仿真軟件平臺(tái)貫通，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)模型間的連續(xù)傳遞。另外，需建立涉及開發(fā)雷達(dá)所含專業(yè)的完備模型庫，且該模型庫中的模型均完成校模驗(yàn)?zāi)?，滿足可重用要求，無需在調(diào)用過程中再對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證及標(biāo)定。

最后，為了在雷達(dá)系統(tǒng)集成仿真平臺(tái)仿真過程中具有時(shí)效性，在合理時(shí)間內(nèi)完成對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的各方面性能和指標(biāo)完成驗(yàn)證和評(píng)估，可對(duì)其中涉及到的控制及電路等模型，進(jìn)行簡(jiǎn)化模型的階數(shù)。通過采用模型降階(reduced-order model，ROM)技術(shù)，將用微分方程、差分方程或時(shí)間序列分析等方法建立的模型，忽略其高階項(xiàng)，獲取低階模型，從而將作為復(fù)雜系統(tǒng)的雷達(dá)在一定條件下轉(zhuǎn)化為較小規(guī)模的近似低階系統(tǒng)。在降階系統(tǒng)與原雷達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)誤差足夠小的前提下，盡可能保持原雷達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定性、無源性和結(jié)構(gòu)特性等。最終，實(shí)現(xiàn)虛擬集成雷達(dá)的穩(wěn)定高效運(yùn)行[7]。

4 結(jié)束語

本文通過借鑒MBSE的思想，介紹了基于Arcadia方法論和Capella建模工具的雷達(dá)數(shù)字化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法在需求管理工具等的支撐下，在Capella建模工具中完成了雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)的建模，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)在概念論證設(shè)計(jì)階段、方案設(shè)計(jì)階段和初步技術(shù)設(shè)計(jì)階段中的需求、功能、邏輯和物理架構(gòu)的分析和設(shè)計(jì)。通過系統(tǒng)工程平臺(tái)進(jìn)行異構(gòu)工具集成與多學(xué)科仿真，實(shí)現(xiàn)了針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)手段。通過建立雷達(dá)模型數(shù)據(jù)庫，完成雷達(dá)多顆粒度的可追溯性連續(xù)閉環(huán)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)模型生命周期內(nèi)的高效精細(xì)化管理。最后，針對(duì)虛擬集成雷達(dá)的未來設(shè)計(jì)需求，提出了基于模型降階技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)仿真平臺(tái)架構(gòu)設(shè)想，供后續(xù)開展進(jìn)一步研究。

本文雖介紹了雷達(dá)數(shù)字化設(shè)計(jì)的方法流程，但在雷達(dá)綜合設(shè)計(jì)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，還需要在后續(xù)的不斷實(shí)踐過程中進(jìn)行完善細(xì)化，形成面向雷達(dá)復(fù)雜系統(tǒng)的更加高效完備的設(shè)計(jì)方法和理念。