本發(fā)明涉及航空領(lǐng)域和系統(tǒng)工程領(lǐng)域，具體而言，涉及一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析中，單一工具的使用往往受限于其固有的功能和設(shè)計(jì)理念。以dodaf和matlab為例，雖然它們各自在特定領(lǐng)域內(nèi)具有顯著的優(yōu)勢(shì)，但單獨(dú)使用時(shí)卻難以全面捕捉系統(tǒng)的多維度特性。

2、dodaf作為一種頂層架構(gòu)設(shè)計(jì)框架，其核心優(yōu)勢(shì)在于為復(fù)雜的軍事和企業(yè)系統(tǒng)提供全面的規(guī)劃和設(shè)計(jì)藍(lán)圖。它通過標(biāo)準(zhǔn)化的視圖和模型，確保了系統(tǒng)組件之間的一致性和互操作性。然而，dodaf在動(dòng)態(tài)行為分析方面的能力相對(duì)有限，它更側(cè)重于靜態(tài)的架構(gòu)描述，而不是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)反饋和調(diào)整。這可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)者在缺乏對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)和行為模式深刻理解的情況下進(jìn)行決策。另一方面，matlab作為一種計(jì)算和仿真平臺(tái)，其在算法開發(fā)、數(shù)值分析和仿真建模方面具有極好的靈活性和效率。matlab提供了豐富的工具箱和函數(shù)庫，使得工程師能夠快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和算法。然而，matlab在系統(tǒng)架構(gòu)層面的洞察力不足，它更擅長于解決局部問題而非全局架構(gòu)的優(yōu)化和整合。這可能導(dǎo)致在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中忽視了組件間的相互作用和整體性能的協(xié)調(diào)。因此，單一工具的使用可能導(dǎo)致對(duì)系統(tǒng)理解的片面性，限制了設(shè)計(jì)者從不同角度審視和優(yōu)化系統(tǒng)的能力。

3、為克服這一局限，可以將dodaf的宏觀規(guī)劃能力與matlab的微觀仿真能力相結(jié)合，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析提供一個(gè)更為全面和深入的視角。通過matlab，設(shè)計(jì)者可以對(duì)dodaf架構(gòu)中定義的系統(tǒng)組件進(jìn)行詳細(xì)的仿真和驗(yàn)證，測(cè)試它們?cè)诟鞣N操作條件下的性能，幫助設(shè)計(jì)者理解系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的動(dòng)態(tài)行為、優(yōu)化參數(shù)和預(yù)測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)，能夠確保系統(tǒng)的架構(gòu)合理性和功能性，進(jìn)而可以促使基于dodaf的頂層體系架構(gòu)進(jìn)行迭代優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更高效、更可靠的系統(tǒng)開發(fā)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，針對(duì)1架有人機(jī)帶多架無人機(jī)對(duì)多個(gè)空中目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同攻擊的典型作戰(zhàn)對(duì)抗場景，建立基于dodaf框架的頂層模型和基于matlab平臺(tái)的領(lǐng)域模型集成的聯(lián)合仿真模型，通過數(shù)字仿真程序分析驗(yàn)證所建立的有人/無人機(jī)編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)的相關(guān)模型和控制算法的適用性和有效性，同時(shí)，根據(jù)聯(lián)合仿真結(jié)果引入多目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化決策變量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)的快速迭代優(yōu)化，尋找到當(dāng)前典型場景下的最優(yōu)體系架構(gòu)，為有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供支撐。具體步驟如下：

2、步驟1面向典型作戰(zhàn)場景，建立有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)的需求模型。

3、步驟2依據(jù)獲取的需求及建立的需求模型，將有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)劃分為基于邏輯的頂層元模型和基于信息的領(lǐng)域元模型。

4、步驟3從功能和行為兩方面，建立有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)頂層元模型。

5、步驟4從控制器、接口、決策算法等方面建立有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)子模塊中領(lǐng)域元模型。

6、步驟5基于simulink模型擴(kuò)展技術(shù)，將頂層模型和領(lǐng)域模型進(jìn)行集成，進(jìn)而開展聯(lián)合仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，引入多目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化決策變量，實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)的快速迭代優(yōu)化。

7、步驟6設(shè)計(jì)人機(jī)交互接口，可視化模型集成與體系架構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。

8、優(yōu)選的，在步驟1中，參與者包括系統(tǒng)設(shè)計(jì)者、有人機(jī)的操作員等。

9、優(yōu)選的，在步驟1中，需求包括有人/無人機(jī)協(xié)同作仿真系統(tǒng)的功能性需求和非功能性需求。其中，功能性需求受有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)約束，采用用例圖表征功能性需求元模型，非功能性需求主要包括系統(tǒng)的性能，采用參數(shù)圖表征非功能性需求元模型。

10、優(yōu)選的，在步驟2中，基于系統(tǒng)的功能需求，從系統(tǒng)-子系統(tǒng)-模塊三層尺度拆解系統(tǒng)頂層模型。

11、優(yōu)選的，在步驟2中，基于系統(tǒng)的非功能需求，基于系統(tǒng)-系統(tǒng)信息流、子系統(tǒng)-子系統(tǒng)信息流和模塊-模塊信息流拆解領(lǐng)域元模型。

12、優(yōu)選的，在步驟3中，面向系統(tǒng)的功能需求，建立有人/無人機(jī)協(xié)同仿真系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)，及其子系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)。

13、優(yōu)選的，在步驟3中，面向有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)場景中的活動(dòng)，建立活動(dòng)圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

14、優(yōu)選的，在步驟4中，定義并創(chuàng)建同域和跨域模型的數(shù)據(jù)流，指令流和事件。

15、優(yōu)選的，在步驟4中，根據(jù)模型元素中的輸入輸出流，建立專業(yè)領(lǐng)域模型，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能數(shù)字化模型。

16、優(yōu)選的，在步驟4中，專業(yè)領(lǐng)域元模型包括：態(tài)勢(shì)估計(jì)算法模型，目標(biāo)分配算法模型，戰(zhàn)術(shù)庫模型等。

17、優(yōu)選的，在步驟5中，將simulink描述的復(fù)雜算法擴(kuò)展為sysml能夠識(shí)別的模型。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明從需求出發(fā)，在有人/無人機(jī)協(xié)同仿真系統(tǒng)頂層模型中嵌入包括智能算法的領(lǐng)域元模型，更符合現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)展和有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)的背景，實(shí)現(xiàn)對(duì)有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)全流程的集成測(cè)試。通過建立跨專業(yè)領(lǐng)域、跨層次的有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)頂層模型和領(lǐng)域模型，實(shí)現(xiàn)在“體系-平臺(tái)-系統(tǒng)”不同層面的聯(lián)合仿真與分析，更重要的是實(shí)現(xiàn)對(duì)體系架構(gòu)的快速迭代優(yōu)化。

技術(shù)特征：

1.本發(fā)明提出一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，具體步驟如下：

2.如權(quán)利要求1所述的一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，其特征在于，在步驟(1)中，針對(duì)1架有人機(jī)帶多架無人機(jī)對(duì)多個(gè)空中目標(biāo)進(jìn)行協(xié)同攻擊的典型作戰(zhàn)對(duì)抗場景，將用戶需求中映射的有人/無人機(jī)協(xié)同仿真系統(tǒng)“有什么”和“做什么”的單元，應(yīng)用sysml的用例圖和需求圖建立功能需求模型，進(jìn)而基于系統(tǒng)功能需求，應(yīng)用sysml的需求圖和參數(shù)圖建立系統(tǒng)性能指標(biāo)。

3.如權(quán)利要求1所述的一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，其特征在于，在步驟(3)中，結(jié)合sysml的模型驅(qū)動(dòng)、以體系結(jié)構(gòu)為中心、迭代遞增的模型開發(fā)過程，綜合面向過程和面向?qū)ο蟮奶匦?，將采用功能?qū)動(dòng)過程和面向?qū)ο笾黧w相結(jié)合的思想，從不同的視角對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)特性設(shè)計(jì)，通過構(gòu)建petri網(wǎng)可執(zhí)行模型實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的設(shè)計(jì)，其中基于行為建模的有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)頂層元模型采用活動(dòng)圖、狀態(tài)圖、順序圖以及流表征，基于功能建模的有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)頂層元模型采用塊圖、對(duì)象圖表征。

4.如權(quán)利要求1所述的一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，其特征在于，在步驟(4)中，有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)想要驗(yàn)證關(guān)心的是面向當(dāng)前典型場景下的專業(yè)領(lǐng)域模型，通過simulink配置文件建立基于互操作接口協(xié)議的接口模型、基于pid算法的無人機(jī)控制器模型、基于多目標(biāo)優(yōu)化算法(nsga-ii等)的決策模型和基于滾動(dòng)時(shí)域控制(recedinghorizon?control，rhc)的航跡規(guī)劃算法模型等領(lǐng)域元模型。

5.如權(quán)利要求1所述的一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，其特征在于，在步驟(5)中，頂層模型和領(lǐng)域模型的集成是將simulink設(shè)計(jì)的飛行器動(dòng)力學(xué)模型、控制律模型和決策模型等經(jīng)過代碼編譯后，通過ctypes在系統(tǒng)中打開共享內(nèi)存，供rhapsody的塊定義圖和對(duì)象圖調(diào)用，最終實(shí)現(xiàn)離散的sysml模型與連續(xù)的simulink模型聯(lián)合仿真驗(yàn)證，并對(duì)聯(lián)合仿真結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，引入nsga-ii算法、nsga-iii算法或mode算法等多目標(biāo)優(yōu)化算法優(yōu)化決策變量，實(shí)現(xiàn)體系架構(gòu)的快速迭代優(yōu)化。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法，屬于航空領(lǐng)域和系統(tǒng)工程領(lǐng)域，應(yīng)用于復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)的仿真與驗(yàn)證。面向體系架構(gòu)優(yōu)化的多領(lǐng)域模型集成方法包括以下步驟：建立需求模型、劃分頂層元模型和領(lǐng)域元模型、建立頂層元模型、建立領(lǐng)域元模型、模型集成、體系結(jié)構(gòu)迭代優(yōu)化仿真以及可視化人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)。所述方法利用MBSE的需求驅(qū)動(dòng)性和模型可復(fù)用性的特征，減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，提高傳統(tǒng)復(fù)雜作戰(zhàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證過程的效率。本發(fā)明方法流程簡明，實(shí)施過程中集成了需求模型、離散頂層模型、專業(yè)領(lǐng)域連續(xù)模型，提供了可視化的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)了多領(lǐng)域模型的集成和和體系架構(gòu)的迭代優(yōu)化。

技術(shù)研發(fā)人員：曹云峰,王新堯,王西超,李亞雯,周敏,張進(jìn)富,劉圣玉,余旺旺,郭邦君
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/11/4