基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實踐 課件 5 MBSE教材講義 第五章 使命任務(wù)定義與需求分析

立足航天、面向工業(yè)、服務(wù)行業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程及MWORKS實踐聶蘭順教授2024年11月08日立足航天、面向工業(yè)、服務(wù)行業(yè)使命任務(wù)定義與需求分析聶蘭順教授2024年11月08日概述基于統(tǒng)一模型開展使命任務(wù)定義與需求分析等工作，論證使命任務(wù)過程、能力、任務(wù)所需的資源的約束條件，對系統(tǒng)產(chǎn)品的需求進行逐層細化分析，保證使命任務(wù)定義的正確性、利益相關(guān)方及其需求識別的完整性、需求傳遞的一致性、系統(tǒng)功能需求定義的合理性與可行性，實現(xiàn)系統(tǒng)正向設(shè)計的一體化能力提升使命任務(wù)定義完成使命任務(wù)是復(fù)雜裝備研制的最根本出發(fā)點，是評價研制效果與效能的最終目標，也是系統(tǒng)工程、MBSE技術(shù)體系第一個過程/階段的目標；以科研團隊、作戰(zhàn)指揮控制團隊、運營商等最終用戶甚至更高層次管理機構(gòu)的戰(zhàn)略任務(wù)為核心輸入，識別出全生命周期各階段的任務(wù)場景、邊界以及利益相關(guān)方，開展各層級典型任務(wù)場景的數(shù)字化建模，定義裝備系統(tǒng)與外部系統(tǒng)、環(huán)境、用戶之間的交互響應(yīng)關(guān)系，從而完成對使命任務(wù)的描述、分析、細化，并支撐提煉出利益相關(guān)方的應(yīng)用需求。使命任務(wù)定義使命任務(wù)定義的輸入最終用戶期望是最終用戶所預(yù)設(shè)的系統(tǒng)核心任務(wù)，既可以表現(xiàn)為簡短的使命任務(wù)策劃，也可以表現(xiàn)為較為復(fù)雜的任務(wù)書；對復(fù)雜裝備總體系統(tǒng)，最終用戶期望是指裝備戰(zhàn)略目標，以及由之分解而來的系統(tǒng)能力以及外部接口關(guān)系；對分系統(tǒng)及以下層級的產(chǎn)品，最終用戶期望是指在向上一層級交付此目標產(chǎn)品時，上一級系統(tǒng)對其的功能預(yù)期其他利益相關(guān)方期望是指除直接用戶之外的利益相關(guān)方期望；測試性、可靠性、維護性、保障性即為此類利益相關(guān)方期望的明確表達繼承性需求是系統(tǒng)需要滿足更高級用戶或者更高級系統(tǒng)的整體性要求，此類需求有天然的繼承性要求，能夠幫助建立本層級的用戶期望使命任務(wù)定義使命任務(wù)定義的主要活動利益相關(guān)方識別確定與系統(tǒng)相關(guān)的各利益相關(guān)方，為需求收集、任務(wù)場景設(shè)計與建模等工作提供完整的角色清單，從而保證任務(wù)分析、系統(tǒng)需求分析過程的完整性和準確性；利益相關(guān)方期望識別以戰(zhàn)略目標、使命任務(wù)、需求輸入等不同方式識別出利益相關(guān)方對系統(tǒng)的預(yù)期要求；任務(wù)場景設(shè)計與建模描述最終用戶所要求的任務(wù)場景，根據(jù)其他利益相關(guān)方的訴求，盡可能完整地開展任務(wù)場景描述，界定相關(guān)內(nèi)外部系統(tǒng)的物理與邏輯結(jié)構(gòu)，識別和確定各類任務(wù)場景中系統(tǒng)與外部環(huán)境、外部系統(tǒng)之間的交互關(guān)系，明確定義系統(tǒng)的輸入和輸出；利益相關(guān)方需求收集根據(jù)任務(wù)場景中所描述的系統(tǒng)接口、能力要求、操作過程等來收集利益相關(guān)方需求。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方識別利益相關(guān)方利益相關(guān)方是指其權(quán)益會被系統(tǒng)能力或研制應(yīng)用過程影響的群體或個人；系統(tǒng)用戶一般是最重要的利益相關(guān)方；針對系統(tǒng)的不同層級、不同專業(yè)，可能需要面向不同的利益相關(guān)方；實際工作中，也需要根據(jù)不同的業(yè)務(wù)流程開展工作；利益相關(guān)方類型管理人員；投資者；用戶；維護人員；培訓(xùn)人員；可用性和效能專家；政府；標準機構(gòu)；監(jiān)管部門利益相關(guān)方期望識別用例圖描述核心使命任務(wù)或者系統(tǒng)戰(zhàn)略目標；主要包含用例和參與者兩個元素。利益相關(guān)方期望識別用例圖作為運行使用構(gòu)想的結(jié)構(gòu)化表達，是獲取并描述利益相關(guān)方期望的重要手段，用于確定系統(tǒng)需求和運行邊界，是系統(tǒng)中與用戶相關(guān)聯(lián)的需求開發(fā)和結(jié)構(gòu)開發(fā)的出發(fā)點，是此后各類系統(tǒng)設(shè)計模型、仿真模型、描述文檔的開發(fā)基礎(chǔ)。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方期望識別示例如圖為某深空探測工程系統(tǒng)用例圖該用例包括三個參與者及四個用例。三個參與者分別為地面指揮系統(tǒng)、目標星體（火星）及太空。四個用例分別代表探測工程所需執(zhí)行的場景，即發(fā)射與部署、軌道控制與導(dǎo)航、儀器操作與控制、數(shù)據(jù)采集與傳輸。使命任務(wù)定義概述任務(wù)場景模型是對利益相關(guān)方期望的具體化表示，是對運行構(gòu)想的展開描述，是系統(tǒng)需求中的重要根據(jù)，其建模元素可以包括用例圖、活動圖等行為模型，通過完善的描述并考察任務(wù)場景，經(jīng)常能揭示出可能會被忽視的需求和設(shè)計要求任務(wù)分解任務(wù)場景建模應(yīng)考慮運行使用的所有環(huán)節(jié)，包括在集成、試驗、部署直到廢棄/處置過程中的全部計劃和非計劃運行使用。為了開發(fā)可用的、完備的任務(wù)場景模型，需要從戰(zhàn)略目標、使命任務(wù)出發(fā)，以類似窮舉的方式，對其中包含的子任務(wù)或者具體的工作場景進行完整分析，同時還當(dāng)考慮典型的故障、退化等故障模式下的運行使用場景，從而能夠正確指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計與驗證。任務(wù)場景模型中包含的典型信息有：系統(tǒng)生命周期各個階段的典型場景、運行使用時間基線、運行使用場景、故障管理策略、人機接口、維修保障需求、系統(tǒng)端到端通信過程、運行使用設(shè)施、任務(wù)邏輯過程與關(guān)鍵事件等任務(wù)場景設(shè)計與建模使命任務(wù)定義任務(wù)場景設(shè)計任務(wù)場景設(shè)計的具體工作過程與任務(wù)特點聯(lián)系緊密；需要形成與行業(yè)特點相匹配的具體執(zhí)行路線；以某飛行器的任務(wù)分析過程為例，可以采用飛行任務(wù)剖面的方法描述飛行器的任務(wù)及環(huán)境，該剖面說明了飛行器系統(tǒng)在全生命周期經(jīng)歷的事件以及事件順序、持續(xù)時間、環(huán)境及系統(tǒng)工作方式。飛行任務(wù)執(zhí)行是基于任務(wù)事件列表實現(xiàn)的。任務(wù)事件列表是指包含完成標稱任務(wù)以及突發(fā)性場景所必需的所有任務(wù)事件的順序集合，包括任務(wù)段、任務(wù)節(jié)以及分系統(tǒng)活動三個層次，分別對應(yīng)飛行任務(wù)的頂層、中間層和底層描述。其中，任務(wù)段描述飛行任務(wù)的主要任務(wù)階段；每個任務(wù)段包含若干任務(wù)節(jié)，對應(yīng)于該任務(wù)段中需要完成的主要事件；分系統(tǒng)活動是底層也是最細節(jié)的任務(wù)描述，每個任務(wù)段與任務(wù)節(jié)都是通過順序執(zhí)行分系統(tǒng)活動序列來實現(xiàn)的。因此任務(wù)分析涉及的元素包括任務(wù)、子任務(wù)、任務(wù)段、任務(wù)事件、子事件、活動、狀態(tài)等。使命任務(wù)定義任務(wù)場景建模任務(wù)場景建模從戰(zhàn)略級目標出發(fā)，按照層級和分解關(guān)系，對系統(tǒng)使命任務(wù)進行初步分解任務(wù)場景模型既可以從零開始全新創(chuàng)建，也可以從外部任務(wù)模型或需求文件導(dǎo)入，設(shè)置任務(wù)參數(shù)與核心技術(shù)指標，通過用例圖識別任務(wù)利益相關(guān)方、外部環(huán)境對象、系統(tǒng)邊界等任務(wù)場景通用元素，并建立其形式化定義，明確各個場景的核心活動、內(nèi)外部系統(tǒng)以及用戶與系統(tǒng)之間的交互活動。使命任務(wù)定義任務(wù)場景設(shè)計與建模示例某型號軍艦?zāi)芡瑫r具備以下幾種功能：①在指定海域?qū)雇廛婒?qū)逐艦；②進行對?；?qū)沾驌?；③?zhí)行反恐作戰(zhàn)；在MBSE方法中，采用模型的方式來描述功能需求，因為用例圖能較好地表示系統(tǒng)邊界、使用者以及使用者使用系統(tǒng)進行的頂層活動，所以，對軍方的功能需求，采用如圖所示的用例圖進行描述；該用例圖僅僅表示了頂層的功能需求，為了進一步細化需求，還需要進行專門的作戰(zhàn)推演；在某些場合，任務(wù)分析過程還可以進一步細化，將用例圖展開細化為活動圖，從而將其轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)功能需求列表。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方需求來源與利益相關(guān)方交談承擔(dān)這項任務(wù)的人員需要善于溝通，能夠從與利益相關(guān)方的交談中挖掘出真正的需求；提取利益相關(guān)方需求是一項與人有關(guān)的問題而不是技術(shù)問題，因此需要提前了解利益相關(guān)方的領(lǐng)域。從非正式文件中提取需求非正式文件可能包含隱含需求；這類需求也應(yīng)明確提出，要注意記錄需求來源。從場景中識別能力需求開發(fā)出任務(wù)場景模型之后，可以直接從場景中識別能力需求。需求研討會是快速獲取和捕獲需求的有效方式；研討會應(yīng)具有一定的形式，而且也應(yīng)該迭代。從經(jīng)驗中借鑒還可以從經(jīng)驗中借鑒，提取需求。利益相關(guān)方需求收集使命任務(wù)定義利益相關(guān)方需求收集方法將利益相關(guān)方需求與任務(wù)場景相關(guān)聯(lián)利益相關(guān)方需求與任務(wù)場景之間具有很強的關(guān)聯(lián)性，需要在模型層面加以表達。通過圖形化視圖與條目化視圖的關(guān)聯(lián)映射，將需求條目與用例節(jié)點相關(guān)聯(lián)，開展需求分解、屬性定義，并支持階段任務(wù)節(jié)點、系統(tǒng)需求節(jié)點與用例節(jié)點的關(guān)聯(lián)映射，支持這三種建模元素之間的追溯性、覆蓋性分析與初步量化計算。將需求與用例關(guān)聯(lián)，同時根據(jù)用例指標為需求創(chuàng)建指標，一一對應(yīng)，形成需求條目利益相關(guān)方需求收集使命任務(wù)定義任務(wù)需求分解任務(wù)需求可以整理為層級化的形式，既可以采用需求圖、需求匯總表的形式進行建模，也能采用樹狀圖進行組織，直觀地表現(xiàn)出任務(wù)需求的分解與繼承關(guān)系，每個需求節(jié)點還可以進行參數(shù)化定義，并給出具體解釋。使命任務(wù)定義利益相關(guān)方需求完善在上述基礎(chǔ)上，還需要根據(jù)裝備特征、經(jīng)驗、設(shè)計規(guī)范等對需求及其指標進行完善，包括系統(tǒng)性能方面以及非功能特性方面的需求形成需求結(jié)構(gòu)樹，并補充每個需求條目對應(yīng)的值、單位、引用變量、描述、備注等信息，從而形成每條需求的完整描述。全部需求可以根據(jù)其層次化關(guān)系進行編號，具有相同的模型結(jié)構(gòu)，能夠以列表或者矩陣的形式進行統(tǒng)一展示，形成最終的條目化需求匯總表需求分析轉(zhuǎn)換成經(jīng)過初步評估的系統(tǒng)功能需求完備集，傳統(tǒng)上，裝備系統(tǒng)研制采用基于文檔的系統(tǒng)工程，系統(tǒng)需求的表述強調(diào)其文字格式以利益相關(guān)者期望、任務(wù)場景和利益相關(guān)者需求為出發(fā)點，對系統(tǒng)任務(wù)場景的執(zhí)行過程開展進一步的細化分析，將利益相關(guān)者需求轉(zhuǎn)化成為系統(tǒng)功能需求模型和資源約束模型，從而能夠指導(dǎo)系統(tǒng)功能和架構(gòu)設(shè)計需求分析利益相關(guān)方需求以利益相關(guān)方團隊為主要關(guān)注點，主要描述的是系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的應(yīng)用、維護、保障特性，是從外部視點對裝備系統(tǒng)特性的表達；需要在利益相關(guān)方需求的基礎(chǔ)上，進一步將其展開為不同任務(wù)場景下的功能邏輯，并識別出功能需求列表，支持系統(tǒng)功能和架構(gòu)設(shè)計；功能需求分析之前，需要通過對任務(wù)場景進行細化，將任務(wù)場景分解為任務(wù)執(zhí)行過程中的系統(tǒng)活動，識別出任務(wù)場景對系統(tǒng)的功能需求；分析滿足利益相關(guān)方需求所需要具備的功能，進行功能定義和分解，通過功能庫和指標庫對功能輸入輸出參數(shù)和行為指標進行定義，通過搭建活動圖細化用例圖，并將冗余功能合并，最后確定功能指標并進行配置，進行功能覆蓋性需求分析，完成功能需求分析過程，得到功能模型和功能需求。功能需求分析需求分析以水下無人航行器（UUV）的建模過程為例，UUV初始航行活動圖包括初始航行參數(shù)確定，由電路信息系統(tǒng)進行功能承載，聲自導(dǎo)系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的開啟也由電路信息系統(tǒng)承載，聲自導(dǎo)系統(tǒng)工作由探測系統(tǒng)承載，動力系統(tǒng)工作由動力系統(tǒng)承載，其中，聲自導(dǎo)系統(tǒng)工作和動力系統(tǒng)工作都能夠繼續(xù)細化；在上述活動圖基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的工作過程進行分解，根據(jù)任務(wù)邏輯的分支狀態(tài)，對系統(tǒng)的狀態(tài)變化進行定義，以狀態(tài)機圖的形式，對其進行建模，從而能夠更加科學(xué)地進行分解和設(shè)計；繼續(xù)以上述UUV的建模過程為例，對UUV總體攻擊過程進行分析，將UUV攻擊過程分為搜索目標狀態(tài)、追蹤目標狀態(tài)、攻擊目標狀態(tài)和完成任務(wù)狀態(tài)；在系統(tǒng)總體功能分析基礎(chǔ)上，還可以圍繞下一級任務(wù)場景或者系統(tǒng)活動進一步逐條開展每項子任務(wù)的功能分析，然后將每項子任務(wù)的工作過程表現(xiàn)為順序執(zhí)行的活動圖，也可以進一步完善和豐富系統(tǒng)狀態(tài)機圖模型，從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能分析、功能需求定義和功能邏輯定義的逐步迭代完善；上述攻擊過程可以進一步分解為平臺發(fā)射、目標博弈對抗和聲對抗、初始航行、搜索目標、捕獲目標、穩(wěn)定追蹤目標、命中目標及毀傷目標等，每個子任務(wù)還可以表達為多個系統(tǒng)功能之間的配合關(guān)系，以白盒活動圖的形式對其進行建模描述。其中，穩(wěn)定追蹤目標活動圖如圖所示。功能需求分析需求分析需求分析穩(wěn)定追蹤目標活動圖還可以進一步分解；對任務(wù)場景逐一進行分析，提煉出系統(tǒng)的大量功能需求，全部系統(tǒng)功能需求可以匯總成為功能需求總圖，然后可以根據(jù)功能的相似性或者模塊化特點進行組合，形成功能需求的層級化分類關(guān)系，形成需求圖模型；功能需求條目是系統(tǒng)設(shè)計的直接目標；在功能需求之外還會定義系統(tǒng)性能指標。需求分析在系統(tǒng)設(shè)計早期，往往還要考慮到不同分系統(tǒng)對系統(tǒng)功能的支持作用，需要根據(jù)系統(tǒng)的初始概念架構(gòu)對其進行分解分配，對系統(tǒng)功能邏輯進行細化分解，描述不同分系統(tǒng)在任務(wù)執(zhí)行過程中的功能定位，表達各個系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中的先后工作順序以及邏輯接口關(guān)系，分解成為各個子系統(tǒng)需求。功能需求分解與分配需求分析UUV探測系統(tǒng)功能分解需求分析資源約束分析約束表達式基于使命任務(wù)定義和需求分析的結(jié)果，對系統(tǒng)所依賴的資源進行約束分析。通過數(shù)學(xué)關(guān)系來定義資源約束表達式，約束表達式中的變量稱為約束參數(shù)。約束參數(shù)從它們綁定的值屬性那里獲得值，也就是被約束的值屬性時間約束時間約束會指定單個事件發(fā)生所需要的時間間隔期間約束期間約束會指定兩個事件發(fā)生所需的時間間隔狀態(tài)常量狀態(tài)常量是一個條件，可以在特定的事件發(fā)生之前（緊挨著的）指定給特定的生命線需求分析資源約束分析利益相關(guān)方約束和系統(tǒng)需求約束利益相關(guān)方約束是指利益相關(guān)方希望得到的結(jié)果。系統(tǒng)需求約束是指影響產(chǎn)品品質(zhì)的“專業(yè)”或工程約束，所有利益相關(guān)方約束都必須在系統(tǒng)需求約束中闡明。利益相關(guān)方約束有時必須