第４５卷 第１１期２０２３年１１月系统工程与电子技术ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＶｏｌ．４５ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ２０２３
文章编号：１００１ ５０６Ｘ（２０２３）１１ ３５３２ １２ 网址：ｗｗｗ．ｓｙｓ ｅｌｅ．ｃｏｍ收稿日期：２０２２０７１９；修回日期：２０２２１１２２；网络优先出版日期：２０２３０２０７。网络优先出版地址：ｈｔｔｐｓ：∥ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／１１．２４２２．ＴＮ．２０２３０２０７．０９３１．００１．ｈｔｍｌ基金项目：载人航天工程科技创新团队资助课题 通讯作者．引用格式：彭祺擘，张海联．基于模型的载人航天工程需求分析方法［Ｊ］．系统工程与电子技术，２０２３，４５（１１）：３５３２ ３５４３．犚犲犳犲狉犲狀犮犲犳狅狉犿犪狋：ＰＥＮＧＱＢ，ＺＨＡＮＧＨＬ．Ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．ＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０２３，４５（１１）：３５３２ ３５４３．基于模型的载人航天工程需求分析方法
彭祺擘１， ，张海联２
（１．中国航天员科研训练中心，北京１０００９４；２．中国载人航天工程办公室，北京１０００７１）
摘 要：基于模型的系统工程（ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄｓｙｓｔｅｍｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭＢＳＥ）能够提升复杂工程的总体设计能力和设计效率，在工程领域得到了广泛应用，但在载人航天工程领域尚处于起步阶段。在载人航天任务方案论证与方案设计阶段，为了规范基于模型的需求分析与系统设计工作，提出了任务需求分析的初步工作方法和流程。基于ＭＢＳＥ方法论和载人航天工程特点，提出了开展任务需求分析、能力需求分析、系统架构设计、系统需求分析、仿真验证、需求发布６个步骤，并以美国阿尔特弥斯计划为案例，详述了需求分析的流程。为后续开发覆盖载人航天全任务周期的数字化设计和技术管理流程奠定了基础。关键词：载人航天工程；基于模型的系统工程；需求分析；系统设计；数字化中图分类号：Ｖ５７ 文献标志码：Ａ 犇犗犐：１０．１２３０５／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０６Ｘ．２０２３．１１．２０犕狅犱犲犾 犫犪狊犲犱狉犲狇狌犻狉犲犿犲狀狋狊犪狀犪犾狔狊犻狊犿犲狋犺狅犱犳狅狉犿犪狀狀犲犱狊狆犪犮犲犲狀犵犻狀犲犲狉犻狀犵
ＰＥＮＧＱｉｂｏ１， ，ＺＨＡＮＧＨａｉｌｉａｎ２
（１．犆犺犻狀犪犃狊狋狉狅狀犪狌狋狊犚犲狊犲犪狉犮犺犪狀犱犜狉犪犻狀犻狀犵犆犲狀狋犲狉，犅犲犻犼犻狀犵１０００９４，犆犺犻狀犪；２．犆犺犻狀犪犕犪狀狀犲犱犛狆犪犮犲犃犵犲狀犮狔，犅犲犻犼犻狀犵１０００７１，犆犺犻狀犪） 犃犫狊狋狉犪犮狋：Ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄｓｙｓｔｅｍｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＭＢＳＥ），ｗｈｉｃｈｉｓａｂｌｅｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｆｏｒｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｓｙ
ｓｔｅｍｓ，ｈａｓｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｅｍｐｌｏｙｅｄｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄ
ｏｍａｉｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭＢＳＥｉｎｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｓｔｉｌｌｉｎｉｔｓｉｎｆａｎｃｙ．Ｔｏｒｅｇｕｌａｔｅｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｙｓｔｅｍｓｄｅｓｉｇｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｐｒｏｊｅｃｔｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎａｎｄｄｅｓｉｇｎｐｈａｓｅｉｎｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｗｏｒｋｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓｆｏｒｍｉｓｓｉｏｎｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙｏｆＭＢＳＥａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｓｓｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓｉｎｍｉｓｓｉｏｎｌｅｖｅｌ，ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓｉｎａｂｉｌｉｔｙｌｅｖｅｌ，ｓｙｓｔｅｍｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｄｅｓｉｇｎ，ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓｉｎｓｙｓｔｅｍｌｅｖｅｌ，ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ａｎｄｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｒｅｌｅａｓｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅＵ．Ｓ．Ａｒｔｅｍｉｓｐｒｏｊｅｃｔｉｓｕｔｉｌｉｚｅｄａｓｔｈｅｃａｓｅｓｔｕｄｙｔｏｓｈｏｗｔｈｅｄｅｔａｉｌａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．Ｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｌａｙ
ｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｆｕｌｌ ｃｙｃｌｅｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｆｏｒｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｍａｎｎｅｄｓｐａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄｓｙｓｔｅｍｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ（ＭＢＳＥ）；ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｙｓｔｅｍｓｄｅｓｉｇｎ；ｄｉｇ
ｉｔｉｚａｔｉｏｎ０ 引 言载人航天任务规模庞大、实施周期长、任务风险高，其实施需经历需求分析、系统设计、制造总装、测试试验、发射保障以及运行支持等多个阶段，且涉及总体、系统、分系统、单机等多个层次，信息交互量巨大，是一项复杂的系统工程。因此，探索形成高效的设计方法和规范化的设计流程，对提升设计效率和设计质量、降低设计成本、缩短任务周期至关重要。传统的系统工程主要依赖于文本开展迭代设计，设计
第１１期彭祺擘等：基于模型的载人航天工程需求分析方法·３５３３ · 过程中的指标、分析、方案等均使用文字和图表来描述，从而导致工程文档繁多，设计状态变更和迭代流程长、环节多，且对于文字描述不同设计人员的理解不同，复用性较差。特别是在空间站、载人登月、载人登火、载人小行星探测等庞大而复杂的载人航天工程中，传统的设计方法效率低、风险大，更加难以适应工程需求。随着面向对象、结构化、图形化、可视化的系统建模语言（ｓｙｓｔｅｍｍｏｄｅｌｉｎｇｌａｎｇｕａｇｅ，ＳｙｓＭＬ）的发展，一种基于模型的系统工程（ｍｏｄｅｌ ｂａｓ
ｅｄｓｙｓｔｅｍｓｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＭＢＳＥ）方法逐渐得到了广泛应用。该方法使用表述规范、关联紧密、逻辑一致的系统模型来描述系统工程的分析思路与结论，在设计过程中利用模型代替了传统的文本来传递设计信息，从而实现了基于模型驱动的数字化研制流程再造，避免了信息传递的二义性，改变了严重依赖文本、经验的粗放管理模式，能够大幅提升复杂工程的总体设计能力和设计效率。该方法在国内航空领域得到了广泛应用，但在航天特别是载人航天领域，尚处于起步阶段，近几年部分学者开展了一定程度的研究。张有山等［１］研究了ＭＢＳＥ方法在载人飞船交会对接任务中的应用流程。张柏楠等［２］对基于ＭＢＳＥ的载人航天器研制方法研究与实践进行了综述，提出了应用于载人航天全生命周期的６类模型。何巍等［３］对基于模型的运载火箭总体设计框架和设计方法进行了研究。卢志昂等［４］提出了基于模型的卫星总体设计方法与流程。于国斌［５］研究了基于ＭＢＳＥ方法开展深空探测任务协同的方法与框架，提出了支持深空探测任务协同的“４个闭环迭代”流程方法。焦洪臣等［６］提出了基于模型的航天器研制流程和适应航天器研制过程需要的６类模型体系。黄冉等［７］将美国国防部体系框架（ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｄｅｆｅｎｓｅａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｒａｍｅ ｗｏｒ，ＤｏＤＡＦ）引入设计，提出了适用于载人月球探测工程的总体设计流程和方法。除此之外，文献［８９］也对基于模型的飞行器研制进行了系统的探索。这些研究为利用ＭＢＳＥ方法开展载人航天任务设计提供了丰富的经验。载人航天工程一直以来都采用了系统工程的思想。近年来，随着数字化工作的推进，模型在研制过程中发挥了更加重要的作用，但在任务前端的需求层面，仍以文档的形式传递。本文结合载人航天工程的特点，提出了工程总体和各系统基于模型开展载人航天任务需
求分析的初步工作方法和流程，目的是在任务方案论证与方案设计阶段，通过规范基于模型的需求分析与系统设计工作，确保需求覆盖全面、设计严密精准、建模质量可控，为后续开发覆盖全任务周期的数字化设计和技术管理流程奠定基础。１ 犕犅犛犈方法概述国际系统工程协会（ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｕｎｃｉｌｏｎＳｙｓｔｅｍｓＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩＮＣＯＳＥ）定义，ＭＢＳＥ是建模方法的形式化应用，用于支持系统从概念设计阶段一直持续到开发阶段和后续生命周期阶段的需求、设计、分析、验证和确认活动，并将整个任务周期分为了业务或任务分析、利益攸关者需求定义、系统需求定义、架构定义、设计定义、系统分析、实施、综合、验证、转移、确认、运行、维护、处置等１４个流程［１０］。ＩＮＣＯＳＥ提出了一个普遍的操作流程，实际执行过程中，各行业一般会结合自身任务特点，进行裁剪或修改使用，形成更高效的方法论。例如，针对某生物分析设备的研发，文献［１１］提出了问题定义、上下文定义、技术需求定义、逻辑层定义、物理层定义的步骤。针对飞行控制系统的研制，文献［１２］提出了运营分析、系统分析、逻辑架构设计、物理架构设计的步骤。文献［１３１５］针对可靠性领域，提出了与正常系统设计并行的ＭＢＳＥ方法论。类似结合领域特点，改进ＭＢＳＥ方法论进行研制的案例还有很多，可参见文献［１６２０］。ＭＢＳＥ方法从始至终实际都是在迭代需求和实现需求，因此在开始阶段进行的需求分析至关重要。虽然后续随着设计的深入，需求在不断变更，但设计初期梳理提出需求，是决定整个任务基本方案最为关键的环节。ＩＮＣＯＳＥ将这一过程分解为业务或任务分析、利益攸关者需求定义、系统需求定义等步骤，与之类似，达索的ＭａｇｉｃＧｒａｉｄ方法论将需求分析放在问题域中，逐层捕获［２１］。这一过程在火灾卫星和立方卫
星的设计中均有体现［２２２３］。其给出的方法和过程虽然具有普适性，但与载人航天工程结合并不紧密。载人航天工程涉及多个复杂系统，其需求分析是从顶端的任务层出发，需要得到与各系统相关的需求模型。本文重点是在通用流程的基础上，结合载人航天工程特点，提出更加适合于工程的专属需求分析方法。与已有方法论不同的是，本文从任务、能力、系统３个维度进行需求分析，更能有效对顶层需求进行分解，指导系统设计。２ 术语定义为更好地描述需求分析的方法，首先进行如下术语的定义。２．１ 基本概念（１）利益攸关方在一项任务或一个系统中有权力、份额，或者要求满足其需要或期望的一方。（２）场景系统、产品的预期使用范围和预期运行环境，以及与其相关系统或产品之间的交互关系。在载人航天飞行方案中明确的某个任务剖面或任务阶段即为一个独立的场景。（３）系统为达到任务中一个或多个目标而组织起来的、相互作用的元素的组合体。２．２ 需求标识一个产品或系统的运行、功能、性能、设计特性或约束的一种陈述，该陈述必须是明确的、可测试的或可测量的。本文将载人航天的需求分为３类，分别为任务需求、能
·３５３４ ·系统工程与电子技术第４５卷 力需求和系统需求，以美国载人登月任务为例。（１）任务需求实现任务目标和满足各级利益攸关方的顶层需求，常使用自然语言描述。例如：某年前实现载人登月、有多位航天员着陆月球表面、月面停留时间不少于多少天等。（２）能力需求为实现任务目标和满足任务需求需要具备的能力，通过全任务过程场景设计、并经权衡分析后推导派生得出，常使用自然语言描述。例如：载人运载火箭具备将载人飞船送入预定地月
转移轨道的能力、载人飞船具备地月转移和月地转移的能力等。（３）系统需求为满足任务需求和能力需求，通过开展详细系统设计，导出的系统功能、性能、接口等派生需求，常使用自然语言和定量化指标描述。例如：火箭地月转移轨道运载能力要求、航天员人均活动空间的要求等。２．３ 模型在开展需求分析过程中，定义如下四类模型。（１）需求模型描述需求内容和支持需求管理的模型，包括条目化的需求数据库、需求图、需求追溯矩阵，建模方法采用ＳｙｓＭＬ建模。（２）功能模型描述系统结构、行为、功能性能与设计约束特性的模型，包含支持系统任务逻辑流程仿真的逻辑模型和支持系统功能性能多学科综合仿真的物理模型，建模方法包括基于ＳｙｓＭＬ的架构、行为和系统参数分析建模，以及基于Ｃ、Ｍａｔｌａｂ、Ｍｏｄｅｌｉｃａ等语言的多学科建模。（３）产品模型描述产品结构机构、电气系统和软件详细设计的模型，建模方法以三维计算机辅助设计技术、电子设计自动化技术等为主。（４）工程模型描述产品专业特性，用于工程专业分析和仿真的详细模型，建模方法一般采用专业计算机辅助工程等软件建模。３ 需求分析流程工程总体和系统总体基于ＭＢＳＥ的需求分析流程分为任务需求建模、能力需求建模、系统架构建模、系统需求建模、仿真分析与验证、需求发布６个基本步骤，如图１所示。建模过程中，各系统可结合自身实际，对该流程裁剪或作适应性修改后使用，分系统结合系统总体要求可参照该流程执行，建模过程使用Ｓｙ
ｓＭＬ［２４］
。图１ 载人航天需求分析与系统设计流程Ｆｉｇ．１ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｙｓｔｅｍｓｄｅｓｉｇｎｆｏｒｍａｎｎｅｄｓｐ
ａｃｅ
建模方法 第１１期彭祺擘等：基于模型的载人航天工程需求分析方法·３５３５ · ３．１ 任务需求建模（１）目的全面收集并记录任务实施中各利益攸关方的需要和期望，并将任务目标及相关需要转化为明确、可标识的任务需求模型元素，以便后续任务分析、系统设计过程中快速查询、提取和追溯。（２）输入
顶层下达任务（通常为文本或正式场合下提出的和任务相关的指示要求）。（３）输出任务需求模型（包括任务目标、利益攸关方需求、任务背景或运营环境条件等）。（４）建模步骤建模过程分为５个步骤，如图２所示
。
图２ 任务需求分析与建模流程Ｆｉｇ．２ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎｍｉｓｓｉｏｎｌｅｖｅｌ 步骤１ 任务需求模型组织：建立“任务需求”包结构。步骤２ 识别利益攸关方：以上级下达的任务目标为输入，识别系统边界和外部参与者，使用用例（ｕｓｅｃａｓｅ，ｕｃ）图呈现任务涉及的利益攸关方，用ａｃｔｏｒ元素表示具体利益攸关方，用ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ元素构建利益攸关方之间的关联关系。步骤３ 提取利益攸关方需求：根据已识别的利益攸关方需要、期望和能够明确的约束条件形成条目化任务需求，并使用ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ元素承载，这些ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ元素均应集中指向任务的目标或与实现任务目标直接相关的行为，使用ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ关系建立利益攸关方与任务需求的关联。步骤４ 构建任务背景或运行环境：建立模块定义图（ｂｌｏｃｋｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍ，ＢＤＤ），用ｂｌｏｃｋ元素抽象可能的任务运行环境或背景，并将可识别的运行环境条件（如自然环境、已有的技术条件、管理体系和可用的资源等）添加为任务背景ｂｌｏｃｋ的组成部分（ｂｌｏｃｋ元素和ｄｉｒｅｃｔｅｄｃｏｍｐｏ ｓｉｔｉｏｎ元素），为后续开展系统架构设计或系统需求分析提供需求分配对象和追溯源头。步骤５ 任务需求复核：对建立的任务需求模型、任务背景或运行环境进行复核，如出现不明确的、缺失的任务需求或约束，应重复步骤２～步骤４，直至任务需求、任务背景及其描述通过审核。３．２ 能力需求建模（１）目的通过开展覆盖全任务周期的运行场景分析，推导出为实现任务目标和满足任务需求所需具备的能力，并将能力转化为明确可标识的能力需求模型元素，以便后续系统分析、系统设计和验证过程中快速查询、提取和追溯。（２）输入任务需求
模型。（３）输出能力需求模型（为满足任务要求应具备的能力，形成条目化能力需求）、任务场景（任务剖面）。（４）建模步骤其建模过程分为４个步骤，如图３所示。
·３５３６ ·系统工程与电子技术第４５卷
图３ 能力需求分析与建模流程Ｆｉｇ．３ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｉｎａｂｉｌｉｔｙｌｅｖｅｌ 步骤１ 能力需求模型组织：建立“能力需求”包结构。步骤２ 建立初步任务运行场景：根据任务需求设计任务基本方案，建立初步任务运行场景，并使用ｕｃ图呈现任务运行场景。用ｕｓｅ ｃａｓｅ元素具体表示任务总体运行场景、以及覆盖任务全周期的任务阶段（ｕｓｅ ｃａｓｅ命名应指向为满足任务需求而开展的某种活动），并在总体运行场景和任务阶段间建立ｉｎｃｌｕｄｅ关系，在任务阶段ｕｓｅ ｃａｓｅ间建立ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ关系，呈现任务阶段的逻辑顺序，必要时可根据设计要求利用活动（ａｃｔ）图对某个场景进行展开和细化。步骤３ 推导能力需求：在建立初步任务运行场景、定义任务各阶段行为特征的基础上，识别出与行为特征相对应的能力需求，并建立条目化需求模型，使用ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ元素承载。步骤４ 能力需求复核：依据任务运行场景，对推导出的能力需求进行复核，确保每个任务阶段均有相应的能力需求与之对应。如出现不明确的、缺失的能力需求，应重复步骤２和步骤３，直至能力需求模型通过审核，并建立能力需求与任务阶段间的ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ关系。３．３ 系统架构建模（１）目的结合任务需求和能力需求分析，确定初步系统架构（可将现有工程技术体系中
的大系统组成作为系统架构设计的参照），经过备选任务方案比较权衡确定工程系统组成，为系统需求分析提供输入。（２）输入任务需求模型、能力需求模型。（３）输出任务系统架构（系统组成）。（４）建模步骤其建模过程分为３个步骤，如图４所示。
图４ 系统架构设计建模流程Ｆｉｇ．４ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｆｄｅｓｉｇｎａｎｄｍｏｄｅｌｉｎｇｆｏｒｓｙ
ｓｔｅｍａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ
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