[发明专利]一种机载系统数字化设计验证系统及方法

说明书

技术领域

 本发明涉及飞机机载系统设计领域，具体涉及一种机载系统数字化设计环境及方法，属系统工程技术领域。

背景技术

飞机机载系统是一类典型的复杂反应式系统，其传统设计方法是一种文档驱动式设计方法，其缺点是在机载系统物理样机实现之前设计人员无法对设计方案进行运行评估，因此设计方案中可能存在很多歧义和错误，而这些歧义和错误只能等到系统后期集成时才发现，此时修改这些歧义和错误的代价是巨大的。

数字化设计是解决传统文档驱动式设计方法不足的一把利剑。其技术内涵是通过在工程物理样机制造之前先构造系统虚拟样机并进行仿真验证的方式来消除设计方案及决策的歧义和错误，避免后期工程物理样机研制出现反复。

相比于机械系统等领域，机载系统是一种涉及机械、电子、计算机、控制和软件等多领域的复杂反应式系统，其虚拟样机设计存在很多困难。国内外很多研究机构都曾进行了研究尝试，如航天二院李伯虎等人研究了一种基于单领域仿真模型的虚拟样机技术，通过在工程物理样机制造之前构造由各单领域模型集成的虚拟样机并进行仿真验证，消除设计方案中的歧义和错误，避免后期工程物理样机研制出现问题。这种基于单领域模型集成的虚拟样机设计技术在一定程度上解决了传统文档驱动式设计方法中存在的不足。但这种方法本身仍然存在一个重大不足，即该虚拟样机设计层次较低，对设计早期的需求分析、方案设计及评估等阶段不能提供的支持，因此导致早期的需求分析、方案设计及评估仍然是文档驱动式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对当前机载系统研制所采取的“先设计实现后验证”方式造成的周期长、成本高、风险大等问题，提供一种机载系统数字化设计验证系统及方法，使设计人员在机载系统物理样机实现之前即能在数字化环境中对机载系统设计方案进行分析、测试及评估，确认其运行正确且满足用户需求，实现机载系统的“先设计验证然后再实现”。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种机载系统数字化设计验证系统，包括顶层数字化设计系统、领域工程层次数字化设计系统；其中，

所述顶层数字化设计系统包括需求分析模块、顶层分析设计模块、顶层模型测试与验证模块；其中，需求分析模块根据用户需求知识库生成系统需求模型和系统用例模型，然后发送至顶层分析设计模块；顶层分析设计模块基于图形化设计建模语言SysML与Simulink进行机载系统顶层的分析、设计，得到机载系统概念样机；顶层模型测试与验证模块用于对机载系统概念样机进行仿真验证；

所述领域工程层次设计系统包括各单领域分析设计模块、各单领域测试与验证模块、多领域协同设计模块及多领域模型仿真验证模块；其中，各单领域设计模块以机载系统概念样机中的各对应领域模块为依据，分别采用各领域工具进行面向实现的领域分析设计与建模，经过各单领域测试与验证模块测试、验证后得到领域工程模型；多领域协同设计模块基于领域工程模型构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机，并通过多领域模型仿真验证模块进行测试与验证。

本发明还提供一种机载系统数字化设计验证方法，包括机载系统概念样机设计步骤、机载系统虚拟样机设计步骤，其中：

所述机载系统概念样机设计步骤包括：

A1）需求分析步骤，基于SysML需求图与用例图对机载系统的需求进行分析、分解和精化，建立系统需求模型与系统用例模型；

A2）系统分析步骤，采用SysML需求图对系统用例模型中的用例进行分析，得出机载系统具有的关键特征，建立系统用例可执行模型和系统顶层模型；

A3）系统设计步骤，根据系统用例可执行模型设计机载系统架构，并基于系统顶层模型设计机载系统详细架构模型，得到使用SysML块定义图、内部块图、状态图和Simulink表达的机载系统概念样机；

A4）系统测试验证步骤，对A3）步骤得到的机载系统概念样机进行测试与验证，确认满足用户需求；

所述机载系统虚拟样机设计步骤包括：

B1）领域分析与设计步骤，依据机载系统概念样机使用各领域工具进行面向实现的领域分析、设计及建模，得到各领域工程模型；

B2）领域模型集成及验证步骤，基于各领域工程模型构建部件虚拟样机与机载系统虚拟样机，并进行测试与验证，确认同机载系统概念样机保持一致，即满足用户需求。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本发明支持机载系统的数字化分析、设计与验证，实现机载系统的“先设计验证后实现”，避免传统设计方法中“先设计实现后验证”造成的周期长、成本高、风险大等问题。