MBSE的一个案例—望远镜控制系统
Modeler
01-背景介绍
目前，太空探索行业面临着新的重大挑战：最大的光学射电望远镜、火星和系外行星任务、可重复使用的火箭、小型立方体卫星使用量的增加、服务机器人等。
在高度复杂的空间探索项目中不断增加的动态需要 MBSE 提供的系统集成方法。航天工业的 MBSE 并不是什么新鲜事。但是，采用的规模每年都在增长。
美国航空航天局喷气推进实验室
JPL 对 NASA 的任务是在以下领域进行机器人太空探索：火星、太阳系、系外行星、天体物理学、地球科学和行星际网络。JPL NASA 成功地将 MBSE 应用于项目类型、活动和生命周期阶段的广泛领域的实际项目系统工程问题。在 JPL 的整个生命周期中，大约有20 个开发任务正在应用 MBSE。
02-TCS系统简介
随着望远镜设计制造、探测器、数据处理等技术的进步，特别是先进电子技术和计算机技术在望远镜设计制造中的应用，望远镜的观测能力越来越强，灵敏度也越来越高。在此需求背景下，本公司面向望远镜无人值守的自主观测和自主控制，研制了整合观测站能源、网络、气象站，望远镜，焦面高精度相机等各种设备的完整的望远镜远程自动控制系统，并可根据多台望远镜联网联测的需求，按统一接口接入各种望远镜，形成观测网络的运行平台，整个网络至少可以接入30台观测望远镜。 同时现场望远镜控制系统提供统一的设备接入接口，包括指令接口和状态接口，通过开发设备转接代码，接入各种望远镜设备。
望远镜控制系统 (TCS) 包含负责控制望远镜光机械设备的子系统。TCS 的设计考虑提供了一种解决方案，将不同的操作模式无缝地统一起来。
TCS 子系统组织在一个控制和监督子系统层次结构中，该层次结构反映了望远镜子系统的物理布置。在层次结构的底部，设备控制子系统负责对独立望远镜硬件设备的控制和操作支持。这些设备是按照不同的时间线和采购路径开发的（例如，M2 定位器、M1 控制系统、Mount 控制系统）。这种分离类似于其他望远镜项目中使用的分离，并提供了一种模块化设计，便于接口定义、开发规划以及集成和调试活动。通常这些子系统在集成到观测站之前会有一个独立的工厂验收测试流程。每个设备控制子系统都遵循参考架构，如设备控制框架。此外，对于主要关注机械自由度的设备控制子系统，两个子系统提供高级协调和控制功能：指向内核和波前控制系统 (WFCS)。
波前控制系统提供望远镜的高级光学控制。指向内核将天空坐标与机械和探测器坐标联系起来，反之亦然。波前控制和指向内核子系统协调这些低级设备控制子系统，以将望远镜指向并将探头移动到相应的目标，以实现和保持标称光学配置，并在执行观察期间关闭波前校正回路。使用观测站操作系统提供的工具（例如，观测工具、定序器）定义和自动化观测和其他操作。
尽管 TCS 最关键的功能是控制硬件设备，但效率、安全性和稳健的操作对望远镜控制系统运营也很重要，如系统级要求中所述。
03-为什么选择MBSE
系统工程挑战：
- 管理多种架构选择
- 可靠地确定设计概念是否“接近”关键技术资源
- 确保多个不连贯的工程报告的正确性和一致性
- 在完整设计存在之前管理设计变更
使用 MBSE 的原因：
- 增强用户和工程师之间的沟通效率
- 通过探索更全面的选择机会和更快速的替代品分析来提高产品的质量
- 对系统设计进行早期验证
- 让系统工程师有时间进行更多的工程分析和更少的纸张作业（或文档管理）
- 显著提高系统工程师之间的沟通质量
- 实现更好的设计重用
- 符合以后攻城狮们的期望和工作习惯。
- 面对日益复杂的情况，减少产品和任务缺陷的数量
- 提高生产力并降低成本
MBSE 用于：
- 配置管理
- 基于网络的报告
- 综合数据吞吐量分析
- 综合功率和能量分析
- 自动质量计数
04-TCS项目中的MBSE
由于其在需求、操作模式、长操作寿命、接口和组件数量方面的复杂性，这样的项目对系统工程提出了持续的挑战。2008 – 2011 年，望远镜控制系统 (TCS) 团队采用了许多基于模型的系统工程 (MBSE) 实践，以应对未来的各种挑战。
这是最大的公开 MBSE 信息源之一。这包括：复杂的、跨学科的真实世界样本模型建议、发现、问题、用于创建模型结构、提取模型变体和支持基于 DocBook 的基于模型的文档生成的开源 MBSE 插件，以及多个出版物。
除了许多其他优势外，MBSE 还允许集成和解决系统的多个方面：需求、功能/行为模型、性能模型、结构/组件模型、其他工程分析模型（下图）。
MBSE 集成和解决系统的多个方面
望远镜控制系统 (TCS) 的 MBSE 用于：
- 定义基础设施（例如网络）
- 定义系统/子系统接口
- 提供成本估算、功耗
- 根据目录和设计惯例定义通用标准
- 定义子系统的要求（例如数据速率、数据量、延迟）
- 维护 TCS 属性的一致信息模型以管理其系统规模
- 提供满足望远镜功能的设计（例如波前控制策略）
下图显示了用于界面建模的望远镜域的示例(已经基于SysML 1.3)。图5显示了望远镜和仪器之间的一些界面。当查看黑盒子内部时，图6详细介绍了SCP(服务连接点)，它提供电源、网络和液冷等功能。
望远镜的黑匣子视图
望远镜服务连接点(SCP：Service Connection Point)
尽管其中大多数工作可以被认为是专业领域无关的，但是仍然有大量的实践是与具体领域密切相关，可以在建模活动中重用。从一开始就在该项目中应用MBSE，这样可以在建模过程中，可以避免大多数错误。
下图显示了具有明确接口的设计，它允许不同的子组件规范和分包。
2008年开始在E-ELT上采用MBSE实践时，所做的第一件事就是建立熟知的模型——它是VLT的波前控制。
E-ELT结构效果图
有数千种可能的配置主镜像
当比较图9和图10时，很明显，系统的本质复杂性增加了。它是关于交互、活动或接口数量的模型查询的结果，可以更客观地确认这一印象。
VLT 波前控制策略
E-ELT控制策略之一
由于篇幅有限，本期只介绍其中的一部分内容。
05-TCS项目使用MBSE的收获
在这个项目实施过程中对MBSE的看法和理解：
- 认识到建模不仅仅是绘制图表，这一点非常重要。该模型为系统工程实践增加了价值，因为它可以被验证、查询、推理并用于创建文档和操作工件，如软件。
- 很容易陷入只依赖图表的陷阱。为了以自动化的方式从同一来源创建更多工件，必须拥有由图表的具体语法背后的模型完全证实的通用且定义明确的语义：这需要在开始的时候付出昂贵的努力，但之后会获得超值回报。
- 必须留出时间来搭建一个对MBSE友好的基础设施环境；否则攻城狮会将 MBSE 实践视为负担，因为它们没有明确定义。模型转换允许使用不同工具的不同功能。
它增强了沟通
- 单一、权威的信息来源让团队保持一致
- 在项目中促进准确、高效、一致的沟通
- 从提案到实施的更完整的概念和基本原理的传递
- 根据我的任务和 MBSE 对“我的第一步是开发系统模型”任务的经验。
它提高了生产力
- “欧罗巴团队能够研究 3 个不同的任务概念，而这些资源通常只够研究 1 或 2 个，并且所有 3 项研究的高质量都得到了哈伯德审查委员会和美国宇航局总部的称赞。”
- “通过重用早期在EHM上学习的建模模式和分析，初始系统模型的开发……花费的时间只是原本的一小部分。”
- 生成耗时的项目文档/报告变得微不足道
它提高了质量
- 由于更清晰的语义，更早地检测到不一致
- 示例：探索任务 EE 测试中发现的 35 个不一致之处
- “我发现的一件事是，建模过程会导致‘逃避发现’。…捕获细节可以更好地了解系统，并让错误或潜在的问题区域‘弹出’。”
- 促进早期/持续的需求验证和设计验证
- 标准文件保持一致和最新
它支持集成
- 提供系统的一致定义以与学科模型集成，包括成本模型和科学利润模型
它有助于管理复杂性
- “我们能够评估100 到1000种一致、结构化和透明的设计选项，并以传统方法的一小部分时间和成本明确比较成本/收益。”
- 不同的观点解决了不同利益相关者的关切
它可以重用机构知识
- MBSE 增强了知识产权的重用（模型元素体现了来之不易的技术专长）
它吸引了早期职业人才
- MBSE 搭建了从大学教育到 JPL 最佳实践的桥梁
- MBSE方法开始在大学教授给工科学生
