[发明专利]一种基于MBSE的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法

说明书

一种基于基于模型的系统工程(Model‑Based Systems Engineering，以下简称MBSE)的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，本发明涉及一种基于MBSE的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，依据以某飞行器为代表的复杂产品顶层系统设计方案设计与分析的需求，结合基于模型的系统工程理论，提出了顶层系统设计方案验证、优化和评估方法。本发明的主要特点是运用SysML以图形化模型描述顶层系统，设计方案形象直观，系统结构和功能清晰明确，并将SysML模型按规则转换为Petri网模型进行仿真评估并优化，评估方法动态有效。

技术领域

本发明涉及一种基于MBSE的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，依据以某飞行器为代表的复杂产品顶层系统设计方案设计与分析的需求，结合基于模型的系统工程理论，提出了顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，在设计过程中，按照需求、功能和结构的顺序，运用SysML描述顶层系统设计方案，并在建模过程中验证方案，并将SysML中部分模型转换为Petri网模型进行仿真评估，根据评估结果优化设计方案。

背景技术

飞行器顶层系统设计是一项复杂的系统工程。飞行器顶层系统设计涉及了几何学、空气动力学、推进力、弹道学、热学、结构动力学、控制、装配、成本等诸多学科。在传统的复杂产品研制过程中顶层系统设计方案是以数量巨大的文档的形式存在，难以评估和确定信息的完整性和一致性，难以描述各种活动及其交互，难以进行验证、优化和评估。MBSE是运用模型描述顶层系统设计方案，能够减少方案中不一致和错误，并提高不同领域人员之间的交互能力，并能对模型进行分析和验证。

可以采用SysML建模语言建立模型来描述顶层系统设计方案。SysML是一种通用的图形化建模语言，支持复杂系统的描述、设计、分析、验证和确认，对系统描述能力强，规范化和标准化好，有友好的用户界面，可以有效地描述系统。但是SysML也有不足，主要有对动态模型缺乏有效的验证和分析方法方面，其系统动态模型顺序图、状态图缺乏严密有效的验证和分析方法，这就导致了顶层设计的模型验证和仿真成为亟待解决的问题。

Petri网作为一种建模工具，既有直观的图形表示，又有严谨的数学分析方法，不仅能描述系统的静态特性，也能描述系统的动态特性，尤其适合于描述含有并发、异步和分布特征的复杂系统。因此在顶层系统设计模型验证和仿真阶段将Petri网和SysML相结合，开展顶层设计模型的仿真验证工作，验证需求的合理性和总体指标的完备性，这样使得Petri网和SysML可以发挥各自的优点，满足系统建模与验证的需求。

通过对SysML模型和Petri网的研究和分析，Petri网具有严格的形式化定义，而SysML具有友善的用户界面；Petri网可以直接分析验证系统，而SysML可以有效地描述系统；Petri网模型善于模拟仿真系统，而SysML 模型能够容易地编程实现。因此可以将Petri网和SysML相结合，在SysML 和Petri网之间建立映射关系，充分利用两种方法有互为补充的特性，这样使得Petri网和SysML可以发挥各自的优点，满足系统建模与验证的需求，为对顶层设计模型的仿真验证和顶层模型与下层领域专业模型的参数动态映射提供一种有效的解决途径。

顶层模型设计人员可以首先使用SysML图进行建模，再利用SysML模型转换为对应的Petri网模型的规则，将SysML图转换为Petri网，利用Petri 网的分析技术对模型进行分析验证，找出模型中的错误或缺陷，最终改进系统的设计方案。通过这个过程，减少了顶层建模过程中的错误，从而提高了顶层模型设计的质量。这样避免了直接使用形式化方法对系统建模，降低了形式化方法的使用难度，提高了形式化方法的可扩展性；同时也为SysML语言的精确定义提供了参考。

发明内容

本发明解决的技术问题为：克服现有技术难题，提供一种基于MBSE 的顶层系统设计方案验证、优化和评估方法，解决了顶层系统设计方案难以动态评估的问题。

本发明解决的技术方案为：