一种基于MBSE的月面活动任务建模方法及系统

本发明涉及系统工程，具体涉及一种基于mbse的月面活动任务建模方法及系统。

背景技术：

1、mbse(基于模型的系统工程)起源于对复杂系统研发需求的深刻理解和挑战应对。随着科技的飞速发展，尤其是在航空航天、汽车、医疗设备、软件开发和能源等领域，系统的复杂性和集成度不断提高，传统的系统工程方法已难以满足现代系统研发的需求。

2、mbse作为一种新兴的系统工程方法，旨在通过建立系统模型来指导复杂系统的全生命周期管理。它强调在系统设计和开发过程中，从需求分析、架构设计、仿真验证到最终交付和维护等各个阶段，都应基于统一的系统模型进行。这种基于模型的方法不仅提高了系统设计的效率和质量，还降低了系统开发的风险和成本。

3、月面活动任务涉及多个学科领域的知识和技术，如航天技术、机器人技术、通信技术、环境科学等，是相对复杂的任务系统。mbse通过系统建模的方法，能够将月面活动任务中的各个环节、要素和关系进行清晰的表达和呈现。因此，提供一种基于mbse的月面活动任务建模方法及系统解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决月面活动复杂度高、任务建模困难的问题，进而提供一种基于mbse的月面活动任务建模方法及系统。本发明发挥mbse对复杂系统全生命周期的管理能力，从而适用于复杂月面活动的任务建模。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：一种基于mbse的月面活动任务建模方法，包括：

3、第一步、基于月面活动任务“功能—需求”二元关系，进行“任务—子任务—元任务”月面活动任务建模；

4、第二步、进行面向推演的月面活动事件标准制定，以月面人员装备实体或实体集为行为主体、以离散的时间和空间域为索引维度、以实体的行为或状态变化为基本事件，构建表征实体集动态过程的时空事件序列模型；

5、第三步、将月面活动任务看作系统，采用自顶向下的方法，从需求出发，建立基于mbse的月面活动模型。

6、优选地，第一步基于月面活动任务“功能—需求”二元关系，进行“任务—子任务—元任务”月面活动任务建模的具体步骤包括：

7、s1、首先，对月面活动任务进行形式化描述；

8、s2、接下来基于功能需求关系进行任务分解。

9、优选地，s1中对月面活动任务进行形式化描述，具体步骤还包括：

10、从预期目标出发，确定月面活动任务的组成部分；

11、纵向分析月面活动子任务之间的关系，确定月面活动任务的任务层次结构；

12、横向分析月面活动元任务之间的时序关系；

13、考虑任务分解的粒度，即对任务分解精细程度的描述。

14、优选地，s2中对基于功能需求关系进行任务分解，具体步骤还包括：

15、月面活动任务通过执行任务所需的功能获取其关注的子任务和元任务；

16、以层次结构模型作为子任务和元任务逐层对应的结果，实现对月面活动任务的分解；

17、月面活动任务通过功能需求层次化组织子任务和元任务集合，将需求关系映射到任务层次结构生成过程中，使任务层次结构模型可以形式化描述月面活动任务。

18、优选地，第二步进行面向推演的月面活动事件标准制定，以月面人员装备实体或实体集为行为主体、以离散的时间和空间域为索引维度、以实体的行为或状态变化为基本事件，构建表征实体集动态过程的时空事件序列模型的具体步骤包括：

19、s1、首先构造月面活动任务中的“事件”模型；

20、s2、然后构造时空事件序列。

21、优选地，s1中构造月面活动任务中的“事件”模型具体步骤还包括：

22、具有相似或协同能力、面向同类任务的月面实体集抽象为类，类的属性对应实体集共有的能力和状态，类的方法对应实体集共有的行为，类的关系体现为任务实现过程中各实体之间的关联、协同、依赖等关系，类的实例则为实体集中的个体或个体集合；

23、时间抽象为时刻、时段和时长三种类型：时刻表达的是瞬态时间，即时间轴上的一点；时段表达的是连续时间，即时间轴上的一段；时长表达的是一种属性，只通过一个数值表达行为或状态持续性的一种度量；

24、空间抽象为位置、区域和形状三种类型：位置是空间中的离散点或点集；区域是空间中的连续块，可以闭合，也可以非闭合，最常见的是矩形区域；形状是实体的空间占据属性，一般采用多边形进行逼近，它与具体的空间位置无关，只反映实体自身形态。

25、优选地，s2中构造时空事件序列具体步骤还包括：

26、模型相应表示为ses＝{mission，time，space，eventi}，其中mission为ses面向的月面活动任务，time为任务对应的有效时段，space为任务对应的空间区域，eventi为事件序列，事件序列则体现为与元任务划分对应的、依照时间和任务实现逻辑组织的有序事件集。

27、优选地，所述时空事件序列模型包括航天员进舱活动时空事件序列模型和航天员出舱活动时空事件序列模型：

28、构建航天员进舱活动时空事件序列模型为：“任务地点选定——移动实验室抵达指定地点——登月舱着陆——登月舱与实验室对接——航天员检查移动实验室状态(实验室无异常)——航天员打开两侧舱门——航天员进入移动实验室”。/“任务地点选定——移动实验室抵达指定地点——登月舱着陆——登月舱与实验室对接——航天员检查移动实验室状态(实验室异常)——实验室状态检查(实验室故障不严重)——航天员报告问题——航天员维修(实验室恢复正常)——航天员进入移动实验室”。/“任务地点选定——移动实验室抵达指定地点——登月舱着陆——登月舱与实验室对接——航天员检查移动实验室状态(实验室异常)——实验室状态检查(实验室故障严重)——航天员报告问题——地面指挥中心给出维修方案——航天员撤离”；

29、构建航天员出舱活动时空事件序列模型：“出舱活动坐标、开始时间选定——航天员进入出舱准备区——航天员检查舱外航天服务功能(舱外航天服功能无异常)——航天员着舱外航天服——舱室降压——航天员打开舱门，走出舱外”/“出舱活动坐标、开始时间选定——航天员进入出舱准备区——航天员检查舱外航天服务功能(舱外航天服功能异常)——舱外航天服状态检查(舱外航天服故障不严重)——航天员报告问题——航天员维修(舱外航天服恢复正常)——航天员着舱外航天服——舱室降压——航天员打开舱门，走出舱外”/“出舱活动坐标、开始时间选定——航天员进入出舱准备区——航天员检查舱外航天服务功能(舱外航天服功能异常)——舱外航天服状态检查(舱外航天服故障严重)——航天员报告问题——地面指挥中心给出维修方案——航天员终止出舱活动”。

30、优选地，第三步将月面活动任务看作系统，采用自顶向下的方法，从需求出发，建立基于mbse的月面活动模型具体步骤包括：

31、采用mbse中的需求图实现需求分析；

32、采用mbse中的模块定义图实现任务系统结构分析；

33、采用mbse中的模块定义图和活动图搭建任务模型；

34、采用mbse中的序列图分析时间逻辑关系；

35、采用状态机图展示任务动态过程。

36、本发明为解决上述问题采取的另一种技术方案是：一种基于mbse的月面活动任务建模系统，包括：

37、月面活动任务模块，其配置成基于月面活动任务“功能—需求”二元关系，进行“任务—子任务—元任务”月面活动任务建模；

38、时空事件序列建立模块，其配置成进行面向推演的月面活动事件标准制定，以月面人员装备实体或实体集为行为主体、以离散的时间和空间域为索引维度、以实体的行为或状态变化为基本事件，构建表征实体集动态过程的时空事件序列模型；

39、月面活动建立模块，其配置成将月面活动任务看作系统，采用自顶向下的方法，从需求出发，建立基于mbse的月面活动模型。

40、本发明具有以下有益技术效果：

41、本发明通过对月面活动任务系统进行分解和抽象，将复杂的系统问题转化为一系列相对简单的子问题进行处理，能够直观地把握任务的整体结构、功能和性能要求，有助于提高设计效率。

42、本发明使用通用化建模语言sysml，可以使不同学科领域的技术人员同时使用相同的方法进行沟通和合作，适用于涉及多学科领域知识技术的月面活动任务。

43、本发明mbse支持对系统进行全面的仿真和验证，对月面活动任务进程全流程仿真验证，模拟实际工作环境和条件，可以对系统进行全面的测试和评估。本发明发挥mbse对复杂系统全生命周期的管理能力，从而适用于复杂月面活动的任务建模。