丁健　田峰　金颖

摘要：为了实现地面站的综合化和可配置化以及满足不同用户的使用需求，文章将基于模型的系统工程方法引入地面站的研制过程中。与传统的地面站研制方法相比，文章所提出的方法不仅能实现虚拟系统模型的早期设计与验证，还能实现软件的可配置化设计与快速开发，解决了快速响应用户需求等问题。

关键词：系统工程；MBSE；地面站研制；虚拟系统模型；无人机系统 文献标识码：A

中图分类号：TP273 文章编号：1009-2374（2016）12-0047-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.022

1 概述

地面站是一种随着无人机发展而产生的新型高科技装备。它既是支撑无人机系统运行的核心，也是整个大系统实现信息融合、指挥控制的中枢节点。地面站的特点包括系统通用化和软件综合化。由于用户需求日趋多样化，地面站的复杂度越来越高，导致地面站同时存在多种技术状态，这给设计制造工作带来了极大的挑战，主要有如下四点：（1）地面站的研制模式还停留在传统的“需求满足型”，即一种基于“指标-对比式”的、从设备子系统到分系统逐级搭积木的模式，这种传统模式的研制效率较低且远远不能满足地面站的通用化要求；（2）由于没有建立地面站的需求管理体系，无法在各个阶段中对需求的满足度进行量化追踪，因此严重缺乏对研制方案的仿真验证能力；（3）地面站的设计输出形式通常是电子文档，这些电子文档不仅规模大、版本多，而且文字描述常常存在二义性，从而引起对同一事物的不同理解，造成难以控制技术状态的局面；（4）虽然数字化定义已经在结构设计中得以实现，但是还未在系统设计中实现，故而“制造、试验、再制造、再试验”的研发模式具有成本高、周期长的缺点。

为了解决上述问题，本文引进一种全新的数字化研发模式，即基于模型的系统工程方法：（1）将“需求满足型”的研制模式转变为“需求驱动型”模式，即转变为主动的牵引式设计；（2）所有传递都将基于模型，这样既可以保证数据统一，又能支持虚拟设计和组件化设计；（3）利用组件化设计来实现地面站的通用化、功能配置快速更换以及功能配置自选等功能。本文围绕上述解决思路，结合地面站的研制实际，将介绍基于模型的系统工程方法应用于地面站过程设计的流程，为后续地面站的推广发展工作提供新的思路和对策。

2 基于模型的地面站系统的过程设计

基于模型的系统工程采用模型的方法描述系统活动。在地面站的研制过程中，自顶向下地将工作内容分解为三层：全系统、分系统和子系统。每一层的工作包括需求分析、功能分析和设计综合三部分。研制过程示意如图1所示：

2.1 需求分析的过程设计

该阶段的设计内容包括以下两个方面：（1）全机的需求定义；（2）行为动作的设计及其关联。

需求分析的过程设计分为三个步骤：（1）对用户需求进行梳理分析后，定义系统需求；（2）设计系统用例；（3）设计用例与需求的关联。

通過分析用户需求，可以获得飞行控制、任务控制、地面指挥等13类一级需求。根据需求定义，首先确定地面站的功能边界，用以识别与之交互的外部系统；其次，将系统需求抽象归类到各个主要的系统功能，保证一个功能对应一个用例；最后，完成41个一级用例的设计。地面指挥功能的典型系统用例如表1所示：

完成了系统需求设计之后，通过绘制用例图完成详细的用例定义，如图2所示：

利用信息化手段将“需求”和“用例”关联起来，并且确保需求和用例被100%覆盖，见图3。

2.2 功能分析

功能分析阶段的主要工作是设计每个用例的实现方法，并将其具体的工作流程用模型表达出来。

2.2.1 设计指挥控制、飞行监控等动作实现的逻辑，再通过活动图设计每一步的控制逻辑。以地面站的检测为例，图4为地面站检测的活动图：

2.2.3 运行状态图获得地面站分系统在常规状态下的响应和因状态变化产生的连锁反应，异常情况输入还可以获得系统对异常做出的响应，并最终获得了经过验证的系统架构。系统架构如图7所示：

根据分析结果，地面站分系统应至少分为综合控制系统（站）、综合信息处理系统（站）、链路终端三部分，其中：起降控制与任务控制功能综合于综合控制系统（站）；通过软件组件化架构设计技术可以实现飞行监控、任务监控、任务规划功能的任意部署，该技术还能满足余度和多机监控的需求。因此，内部配置可分解为飞行监控子系统、任务监控子系统、任务规划子系统、链路监控子系统、综合处理单元子系统和供电子系统。由运行状态可知，该配置不但能完成所有需求，而且配置精简，效能相对优秀。

2.3 设计综合

该阶段工作是将一级功能分配到各子系统，并设计子系统的各种动作的实现方法，其工作步骤与功能分析阶段的步骤相同。设计综合阶段的示意图如图8所示：

2.4 逻辑层建模到物理层开发

当大系统到子系统级的三层逻辑建模均完成后，输出动态模型用于设备物理层的开发，包括ICD和软件模型，具体的开发流程见图9：

3 结语

产品研制采用该方法从需求分析到产品交付仅约6个月，质量和进度较同类产品高出1倍以上，证明了该方法运行的可行性和有效性，其中：（1）需求分析较清晰完整，设计流程可追溯性强，设计方案可实现早期验证；（2）在建模过程中，软件工作已经可以通过敏捷开发的方式启动，使系统设计和软件开发的并行期增加，核心系统软件开发时间缩短30%以上；（3）架构开放，通用+专用的组件化设计实现机械接口通用化、匹配自动化、界面配置化，支持用户需求的快速变化，尤其是在飞行员提出大量修改意见的情况下，POP显示组件在3天之内完成全部换版升级，而处理组件完全不受影响，效率大大提高；（4）可以主动向用户提功能菜单，支持用户功能自选；（5）实现起降任务控制一体化设计，成品数量降低。

上述的设计效果和质量还在后续的使用中继续得到实际验证：该地面站产品成功支持公司某装备完成飞行任务。通过上述研究，我们应用基于模型的系统工程方法，成功地梳理了需求与产品功能间的关系，实现了系统虚拟模型的早期设计与验证，实现了软件的敏捷开发与可配置化设计，完成了综合化程度更高、配置性更灵活的综合地面控制系统研制，实践证明其效果明显，为后续开发类似复杂产品提供了一种有效的解决方案。

参考文献

[1] 张新国.国防装备系统工程中的成熟度理论与应用

[M].北京：国防工业出版社，2013.

作者简介：丁健，男，四川乐山人，中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司高级工程师，研究方向：自动化；田峰，男，湖南吉首人，中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司高级工程师，研究生，研究方向：航电总体；金颖，女，四川成都人，中航工业成都飞机工业（集团）有限责任公司助理工程师，研究生，研究方向：测控指控。

（责任编辑：蒋建华）