研究背景及基本信息

本文档是一篇学术论文，题为“Research on Modeling of Aircraft-Level High-Lift System Architecture Based on SysML”。文章发表于 Journal of Physics: Conference Series，2021年，卷号1827（文章编号012096）。主要作者包括 Hao Yang、Chao Zhan、Haomin Wu、Chao Cui 和 Renyu Hu，作者们来自 Shanghai Aircraft Design and Research Institute，通讯作者邮箱为 yanghao6@comac.cc。文章由 IOP Publishing 出版，基于 Creative Commons Attribution 3.0 许可发布。

研究背景和目的

随着民用飞机系统规模和复杂性的不断增加，传统基于文档的系统设计方法已难以满足现代设计需求。这种方法生成的大量文档由于信息分散、难以追溯，容易导致设计不完整、不一致和信息模糊性。因此，在飞机设计过程中，提高信息的完整性、一致性和可追溯性至关重要。

针对这些问题，本文提出利用 基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering, MBSE） 方法，基于 SysML（系统建模语言） 和 MagicDraw 建模工具，建立功能架构、逻辑架构和物理架构的层次设计关系。其目的在于通过模型实现设计信息的图形化、关联性和可追溯性，并验证这种方法在民机高升力系统架构建模中的有效性。研究成果不仅对高升力系统的架构设计具有重要意义，还可推广到其他民机系统设计中。

详细研究流程

建模基础及建模工具介绍

文章采用基于模型的系统工程（MBSE）理论，并引用了 International Council on Systems Engineering (INCOSE) 对 MBSE 的定义，明确其核心是通过模型表达系统的设计过程。SysML 是从软件工程领域的统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）扩展而来的系统建模语言，同时兼具面向对象和过程驱动的可视化设计语言优点。MagicDraw 工具被用作构建模型的主要平台。

系统架构定义及建模流程

系统架构建模包括三个主要层次：功能架构（Functional Architecture）、逻辑架构（Logical Architecture） 和 物理架构（Physical Architecture）。三者的关系通过图形化方式呈现，包括层次关系、交叉关系及数据信号/能量传递等交互内容。

【功能架构（Functional Architecture）】

在功能建模过程中： 1. 建立功能模块的分解结构，明确每一模块的职责，通过 功能架构块定义图（Block Definition Diagram, BDD） 展示。 2. 定义功能模块的端口类型（Port Type），区分输入与输出交互项目，包括信号端口、物质端口和能量端口。 3. 定义功能模块之间的交互内容（Signal、Matter、Energy）。 4. 通过 内部块图（Internal Block Diagram, IBD） 表达功能模块之间的交互关系。

例如，文章以高升力系统中的“承载功能（Load Bearing Function）”为例，通过 BDD 建立了功能分解关系，并进一步在 IBD 中明确了信号、物质和能量交互的内容及路径。

【逻辑架构（Logical Architecture）】

逻辑架构的设计基于功能架构的要求展开： 1. 在没有冗余的情况下，定义逻辑分组和交互内容，明确逻辑组件之间的连接关系。 2. 基于无冗余逻辑架构，考虑设计安全性和性能需求，设计冗余组件和冗余控制逻辑，形成 具有冗余的逻辑架构。 3. 采用 BDD 和 IBD 分别定义逻辑组件及其相互关系。文中通过绘制逻辑架构 IBD 示例，展示无冗余和具有冗余两种情况下的逻辑架构设计。

此外，文章引入了功能到逻辑映射的分配表，显示从功能架构到逻辑架构的分配关系，以及从无冗余逻辑到冗余逻辑的分布关系。

【物理架构（Physical Architecture）】

物理架构设计基于具有冗余的逻辑架构延伸至产品层面： 1. 定义物理组件，对设备之间的层次关系及其信号、物质、能量交互形式进行明确描述。 2. 通过 BDD 构建物理组件的分解结构和端口定义，其中端口类型分为信号端口、物质端口和能量端口。 3. 在 IBD 中展示物理组件间的交互关系和传递内容，形成一个完整的高升力系统物理架构设计方案。

文章进一步给出了逻辑组件与物理组件的分配表，实现从逻辑组件到物理组件的映射。

数据分析及验证

通过 SysML 和 MagicDraw 建立功能、逻辑及物理架构之间的关联性模型，文章成功验证了这种基于模型设计的方式显著提高了设计信息的完整性、一致性和可追溯性，并提升了设计效率。

研究结论

本文针对民用飞机高升力系统架构的设计难题，提出与实现了一种基于模型的系统工程设计方法。该方法通过 SysML 建模语言和 MagicDraw 工具对功能、逻辑和物理层面进行协同建模，主要贡献包括以下几点： 1. 优化了设计信息的完整性与一致性； 2. 提升了信息追溯和关联程度； 3. 提供了高效协作的设计流程，有效降低了设计复杂性。

研究结果不仅适用于高升力系统架构设计，且具备推广到其他系统设计任务中的潜力。

研究亮点

1. 方法创新性：基于模型的系统工程方法结合 SysML 和 MagicDraw，提供了一种与传统方法截然不同的架构设计流程。
2. 研究价值：首次系统性地将功能、逻辑和物理架构一体化协同设计应用于高升力系统。
3. 工程意义：提高了民航飞机研发过程中的设计效率，具有重要的实际应用价值，尤其是在应对复杂系统设计时。

参考文献部分

本文引用了大量关于 MBSE 和 SysML 的研究文献，包括国内外在航空航天和系统工程领域的先进研究成果。这部分内容为后续研究者提供了丰富的理论和实践支持。

总结来说，本文不仅为民机高升力系统设计领域提供了创新性思路，也为模型化设计在更广泛领域的应用提供了生动案例。