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導(dǎo)讀

本文譯自NASA2020年度可靠性維修性研討會（Annual Reliability & Maintainability Symposium ，RAMS）的一份報(bào)告。該報(bào)告展示了Goddard航天飛行中心（GSFC）利用現(xiàn)有商業(yè)軟件將可靠性學(xué)科納入基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）并通過對實(shí)際子系統(tǒng)建模進(jìn)行測試的研究成果，同時指出了該項(xiàng)目下一階段的發(fā)展方向。本文為該系列的第二篇文章，介紹用于評估基于模型的安全和任務(wù)保證（MBSMA）可靠性的測試方法。

這個用于評估MBSMA可靠性的測試方法針對了此初始評估階段的分析類型，該分析類型幾乎用于所有的任務(wù)類別（FMECA，F(xiàn)TA，LLA，PA），用以在此研究的較短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)完整的評估和人工制品的生產(chǎn)，在質(zhì)量和兼容性的風(fēng)險(xiǎn)評估和危害報(bào)告上的初步發(fā)現(xiàn)，以及對建模進(jìn)行指導(dǎo)。

出于相同的原因，在型號和子系統(tǒng)不同的情況下，每種型號的測試用例范圍也僅限于一個子系統(tǒng)（1個用于機(jī)器人任務(wù)的機(jī)械子系統(tǒng)、1個探測火箭的電子子系統(tǒng)和1個用于人類任務(wù)的機(jī)電子系統(tǒng)），來避免結(jié)果或指導(dǎo)的偏見或局限性。此外，本研究不包括PRA和可用性/可維護(hù)性分析，因?yàn)檫@些分析高度依賴于故障樹（FT）和PA結(jié)果（已在研究中），并且由于本研究的測試案例有限，無法支撐PRA所具有的復(fù)雜性以及可維護(hù)性/可用性的數(shù)據(jù)需求。當(dāng)然，整個觀測臺/任務(wù)系統(tǒng)或可維修系統(tǒng)的測試案例更為廣泛，將能夠解決這些附加分析問題并提供足夠的評估見解。

盡管今天有許多基于模型的工具和插件可供MBSE使用，但只有其中一些具有特定的任務(wù)保證（可靠性，安全性，質(zhì)量和軟件保證）功能。該團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)這些工具和插件分別是IBM Rational Rhapsody，帶有插件（攝像機(jī)安全性和可靠性分析器和/或Tietronix可靠性插件（FaultTree，F(xiàn)MECA））的SysML / MagicDraw，WebGME.org，SEAM / modelbasedassurance.org，Methodology Wizards，Model Obfuscator，Product Line Engineering，Eclipse Papyrus和本地定制設(shè)計(jì)的插件，MADe，SCADE Suite，Reactis Suite和PTC基于模型的系統(tǒng)工程解決方案（Windchill Modeler，Windchill Asset Library和Windchill Process Director）。盡管此工具集并不龐大，但無法根據(jù)本研究中的每個模型建模、評估和制定建議。因此，研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)MBSE的利用率、明顯的易用性和保證范圍的廣度選擇了兩個代表性工具。第一個是帶有Tietronix可靠性插件的SysML / MagicDraw（NoMagic提供的基于系統(tǒng)建模語言（SysML）的工具），第二個是Maintenance Aware Design environment（MADe）。

帶有Tietronix可靠性插件的SysML / MagicDraw和MADe具有特定的任務(wù)保障功能。

建模工具Maintenance Aware Design environment（MADe）提供了一套可用于設(shè)計(jì)、評估和優(yōu)化PHM系統(tǒng)的軟件工具，該工具使用基于模型的工程技術(shù)手段，可用于非常重視安全性和可靠性的各種高風(fēng)險(xiǎn)行業(yè)。MADe建模環(huán)境（見圖1）提供了針對可靠性的特定分析工作流程，包括可靠性分配、可靠性框圖、馬爾可夫分析和可靠性/可用性分析，以及多種故障分配方法，以在設(shè)計(jì)過程的每個階段產(chǎn)生并驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性要求。這些分析允許按需生成FMEA，F(xiàn)MECA，共模分析和功能故障樹分析報(bào)告。

系統(tǒng)的MADe模型使用圖形化的功能框圖，并根據(jù)基礎(chǔ)故障的物理原理自動傳播系統(tǒng)中的功能故障，以建立故障的征兆或特征。利用該信息可以根據(jù)潛在故障的檢測概率（PoD）生成和優(yōu)化診斷傳感器的位置。另外，傳播和傳感器信息可用于確保故障檢測和隔離以及壽命/維護(hù)/診斷規(guī)則的實(shí)現(xiàn)與成本、重量、風(fēng)險(xiǎn)相平衡，并根據(jù)所選的傳感器組合生成診斷規(guī)則。

“系統(tǒng)的MADe模型使用圖形化的功能框圖，并根據(jù)基礎(chǔ)故障的物理原理自動傳播系統(tǒng)中的功能故障，以建立故障的征兆或特征。”

圖1 MADe建模環(huán)境

這項(xiàng)研究的系統(tǒng)建模語言（SysML / MagicDraw）建模工具（v19.0）是UML 2.0的擴(kuò)展，帶有Tietronix插件（FaultTree（18.0），F(xiàn)MECA（18.0），MBSE插件（18.0），方法向?qū)В?19.0SP2），模型混淆器（19.0）和產(chǎn)品線工程（19.0SP2）），旨在支持系統(tǒng)工程和可靠性的建模。它是用于分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證可能包括硬件、軟件、信息、人員、過程和設(shè)施的復(fù)雜系統(tǒng)的通用圖形建模語言。SysML系統(tǒng)模型由功能/行為模型、性能模型、結(jié)構(gòu)/組件模型和其他工程分析模型（見圖2）組成，以將系統(tǒng)需求與工程學(xué)科集成在一起。為了執(zhí)行SMA分析，必須針對SysML系統(tǒng)模型執(zhí)行FMECA，F(xiàn)TA和PRA（由NoMagic，CAMEO，Tietronix和建模團(tuán)隊(duì)開發(fā)）的SysML插件。

“SysML / MagicDraw是用于分析、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證可能包括硬件、軟件、信息、人員、過程和設(shè)施的復(fù)雜系統(tǒng)的通用圖形建模語言。”

圖2 SysML圖