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接口模型实现机电系统体系结构定义的分解方法
Chen Zheng, Julien Le Duigou, Matthieu Bricogne, Erwan Dupont, Benoicirc;t Eynard lowast;
Department of Mechanical Systems Engineering – UMR UTC/CNRS 7337 Roberval, Sorbonne University, Universiteacute; de Technologie de Compiegrave;gne, CS 60319, F.60203 Compiegrave;gne Cedex, France
摘要：
解决一个复杂的问题往往需要一种方法将其分解成更小，相互关联和可管理的子问题，然后将它们结合在一起。将问题分解成小块的概念通常称为分解。机电一体化系统的设计就是一个复杂问题的例子，因为它基于机械，电气和软件工程等多个学科的整合。因此，分解是一种常用技术，可帮助设计人员在系统工程过程中获得机电系统设计的解决方案。然而，在系统工程中尚未提出能够完全解决机电系统设计问题的有效分解方法。
本文的目标是将这种基于界面模型的分解方法形式化。这种方法适用于机电一体化系统在概念设计阶段设计环境中的体系结构定义。所提出的分解方法为设计人员提供高层次的指导，以帮助他们实现机电系统体系结构的适当层级和粒度。使用3D测量系统的系统工程实践来应用和展示所提出的分解方法。
介绍
产品变得越来越复杂，其相关的设计过程需要多学科的整合。来自竞争日益激烈的市场需要公司更快速，更具成本效益地开发他们的产品[1]。同时，从客户的角度来看，产品应该提供更高质量和功能的设计，例如更容易的互操作性，更高的性能，更高的可靠性和更小的尺寸[2]。这些要求推动了对增强系统功能的需求，并促成了机电系统的诞生[3]。
“机电一体化”一词起源于1969年的力学与电子学相结合的安川公司。自从晚期以来，机电一体化的意义已经扩大到包括软件和计算[4]。随着技术的进步，其他学科（如光学，液压，气动等）已经涉及机电一体化系统的开发[5]。为了设计这样复杂的多学科系统，传统上，每个学科都是独立开发，然后集成到最终系统中[3]。然而，如果设计师没有同时考虑所有的工程学科，高层次的集成设计就无法实现。由于机电系统的这种复杂性，应该提出一种系统的方法来取代传统的方法来支持机电系统的设计过程[6]。
提出系统工程作为解决多学科问题的手段，如如何设计和管理复杂工程系统在整个生命周期[7]。国际系统工程委员会（INCOSE）将系统工程定义为“实现成功系统的跨学科方法和手段”[8]。概念设计阶段通常被认为是系统工程过程中最重要的设计阶段之一[9-11]，其中设计人员选择将用于解决给定设计问题的概念，并决定如何互连这些概念转换成适当的系统架构[12]。从系统工程的角度来看，系统规范中描述的系统体系结构被划分并细分为单独指定，设计和集成以组成所需系统的组件[13]。这样的系统架构在整个系统工程过程中起着重要的作用。一方面，它是构成满足顾客需求的系统的对象和关系的抽象结构[14]。另一方面，在产品开发的每个后续阶段，分解后的组件都是根据系统架构中指定的定义进行设计，集成，验证和验证[15]。
应该完成三个主要任务来定义系统架构：
bull;实施例：系统的主要功能和子功能，根据用户需求定义，应体现在系统级规范中，其中主体系结构（系统及其主要子系统）[16];
bull;分解：主要的子系统最终应该被分解成专门的学科组成部分和这些学科特定组成部分之间的相互关系[17]。和
bull;分析：系统架构以及组件之间发生的交互应在分解后进行分析。通过分析系统架构，来自不同学科的设计团队可以更好地理解系统内的复杂交互，组织和简化开发过程[18]。
本文着重介绍机电系统概念设计阶段的体系结构定义。如上所述，为了定义系统架构，机电系统应该被分解为组件，并且应该描述这些组件之间的接口。考虑到分解任务的两个最重要的方面是组件和接口，系统体系结构定义应该提供应该回答下列问题的方法：
- 什么是适当的分解层次结构，用于获得机电一体化系统的最佳体系结构？
为了定义系统架构，必须将机电一体化系统分解为其组件。机电系统的分解将递归应用。但是，仍有一个研究问题：为机电一体化系统获得最佳体系结构的适当分解层次结构是什么？一方面，分解应该提供足够的信息，以便组件可以分配给特定于学科的团队或被视为标准组件。另一方面，分解层次太细将导致部件的整合过程中耗时的工作，并可能导致机电一体化系统的整合不佳。整体开发成本和上市时间都会相应增加。总之，为了解决机电系统开发过程中分解与集成之间的矛盾，应该更多地关注分解层次。这个研究问题来自组件分解。
- 在设计过程中如何支持架构演变？
在概念设计阶段开始时，系统设计人员需要指定客户的需求，以确定机电一体化系统的功能结构。根据提出的功能结构，设计人员可以定义他们自己的系统架构。为机电一体化系统阐述适当的架构在很大程度上取决于系统设计者的经验。在大多数设计案例中，如果不利用迭代，就无法确定完整的架构。以皮带输送机系统为例，系统设计人员在分析了客户的需求后，可以指定主要功能要求如下：（1）输送机系统用于输送所需材料; （2）输送机系统应由机械能驱动; （3）应向输送机提供动力以提供机械能; （4）输送机系统应由人控制。因此，系统设计者提出了以下主要子系统来分别体现上述功能：（1）皮带子系统; （2）输送机驱动子系统; （3）供电子系统;和（4）输送机控制子系统。在分析皮带子系统和输送机驱动子系统的解决方案原理时，设计者发现这两个子系统由于角速度的不同而不能直接连接。因此，在设计过程中必须改进系统结构，并在它们之间增加一个新的组件 - 变速箱。这个例子表明，尽管设计人员可以通过仔细地体现所需的功能来定义系统架构，但他们很难获得完全的架构，而无需求助于某些迭代。换句话说，机电一体化系统的体系结构需要在设计过程中加以改进。这个研究问题可以概括为如何支持架构演进，以便在整个设计过程中获得合适的粒度。皮带输送机的例子表明，通过分解皮带子系统和输送机驱动子系统之间的界面可以实现建筑的发展。这个关于结构演化的研究问题来源于界面分解。
本文旨在通过关注上述研究问题来形式化分解方法，并提出一种基于界面模型的分解方法。这里使用的术语“接口”被作者定义为集成了机电一体化系统的组件或其组件与其环境的逻辑或物理关系。利用接口模型的支持，所提出的分解方法可以帮助设计人员实现机电一体化系统架构的适当层级和粒度。
本文组织如下：
第2节回顾了当前定义机电系统体系结构的系统工程方法，包括它们的局限性。第3节介绍界面模型，然后提出基于所提出的界面模型的分解方法。分解方法的应用在第四部分基于三维测量系统的案例研究中得到证实。第5节详细讨论了提议的分解方法。最后，作者在第6节得出结论。
图1. V模型
相关工作:
多年来开发了不同的系统工程方法。这些系统工程方法指定了组成开发过程的一系列阶段。系统工程师通常采用分解集成原理来解决开发过程中的复杂设计问题[19]。 V模型是一种更为典型的系统工程方法，被提出来代表复杂系统开发过程的一般流程[20]。如图1所示，开发过程从确定用户的需求开始。一旦需求被定义，它们被置于项目控制之下（左上），并且V型将以用户验证的系统（右上）结束。在“分解和定义”轴上的高级设计和详细设计阶段，系统被分解成组件（图1）。在V模型中，需求被分配给系统组件，并且接口被详细指定[21]。V模型特别适用于设计机电系统。在RFLP方法中，客户的需求在需求工程阶段得到澄清，并在功能设计阶段的功能中得到满足。然后在逻辑设计阶段详细阐述系统架构，以实现前一阶段提出的功能结构。与V模型相比，需求规格应该转换为功能结构，而不是直接分配给系统组件。功能结构可以帮助所有系统设计人员更好地理解和接受在逻辑阶段确定的系统体系结构。 RFLP的功能结构被认为是系统工程领域其他研究人员构建系统架构的基础[22]。 Stone和Wood [23]介绍了一种功能基础方法，其中可以通过对功能模型中的子功能进行分组来形成产品架构。在集成的虚拟产品创建（iViP）项目中开发的面向功能的设计（FOD），将系统功能设置为中心方面，并且基于功能描述系统架构[24]。在一些关于系统工程的研究中，使用行为表示来连接功能模型和系统结构。由于s，函数行为结构（FBS）方法已经代表了复杂系统开发过程中的共同语言[25]。 FBS方法的原则是，这种行为与因系统结构有因果关系，并且可以使用物理规律或启发式法从结构中推导出来[25]。基于FBS方法开发了许多设计方法[26-28]。然而，所有回顾的研究都集中在体系结构定义的实施任务上，即主体系结构（系统及其子系统）是根据客户的需求决定的。如何改进子系统以实现架构演进并获得完整的架构尚未在上述方法中得到解决。
已经提出了几种分解方法来帮助设计者构建系统体系结构。一般来说，存在三种类型的架构可用于对复杂系统工程的分解方法进行分类：层次式，非层次式和混合式层次式（图2）[29]。分层架构（图2（a））适用于信息流和交互严格自上而下的复杂系统。换句话说，层次结构着重于组件的分解。目前大多数关于系统架构定义的研究都是基于这种分层架构。 INCOSE提出了一个系统层次结构，可以将其从上至下建模为“系统”，“元素”，“子系统”，“装配”，“子装配”，“组件”和“零件”[8]。 NASA在INCOSE提出的层次结构中增加了一个“模块级”[7]。 INCOSE引入了一种分解方法，将系统分解为元素（从系统层次结构的顶层向下一层），但是如何将元素分解到后续层次并不包含在分解方法中[8]。与INCOSE和NASA提出的分类不同，一些研究人员认为分解应该持续到整个系统被分解为明确定义的分量（或“原子”分量）[17,19,30-32]。在非等级分解（图2（b））中，信息流并不局限于自上而下，而是可以是多向的，以便可以创建组件之间的耦合。换句话说，系统中的接口可以用这种非分层体系结构来表示，与分层体系结构相反，非分层体系结构可以用来表示分层体系结构中某些层次的粒度。
这种类型的体系结构通常存在于机电一体化系统等多学科系统中，其中每个学科分析都依赖于其他学科的输出[29]。 混合分层体系结构（Fig2.（c））结合了层次结构和非层次结构，如名称所示。 通过使用混合分层体系结构，可以表示系统架构的层次结构和粒度。 换句话说，混合分层结构可以作为有效的支持来帮助设计师实现组件分解和接口分解。 然而，尽管最近有关于分解方法的研究，但很少有文献显示如何正确分解尚未设计的系统的经验或理论工作[33]。
分析系统架构可以帮助不同学科的设计师更好地理解系统内的复杂交互，从而更好地组织开发过程。设计结构矩阵（DSM）是在20世纪60年代提出的，用于系统架构分析[18]，自那时起它的使用大大增加。 DSM方法不仅可以用于建模基于组件及其接口的系统体系结构[34,35]，还可以用于基于人员及其相互作用建模组织结构[36,37]，以基于活动的建模过程和他们的信息流[38]，以及为设计决策和参数之间的低层次关系建模[39]。但是，帝斯曼只能改进所有部件都已明确的成熟产品的设计[40]。换句话说，完整的体系结构对于分析系统体系结构和相关的设计过程是必要的，但正如上述文献综述所显示的，目前对分解方法的研究不能为设计人员提供完整的体系结构。
图3显示了这里回顾的概念设计方法，集中在机电一体化系统的体系结构定义，以及三个第1节描述的体系结构定义的主要任务（实施例，分解和分析）。 已经提出了不同的方法来实现系统级规范中的主要功能和子功能，这是第一项任务[20,21,23-28]。 一些研究工作可以部分处理第二项任务。 这意味着迄今为止，如果在设计过程中需要改进架构，即实现架构演进[7,8]，那么研究工作就不能提供有效的支持来帮助设计人员实现完整的架构[ 17,19,30-32]。 基于DSM的不同方法已经被提出用于架构分析[34-39]，但是这种架构分析需要从一开始就有一个完整的架构[40]。
总之，完整的体系结构对机电一体化系统的概念设计非常重要。在指定了客户的要求后，系统设计人员可以根据自己的设计经验和对整个机电一体化系统的理解来定义系统的功能结构。然后提出系统体系结构来体现功能结构，但在大多数设计案例中，一个机电一体化系统的完整体系结构不能仅仅考虑功能结构来确定;在设计过程中需要改进架构（请参阅第1节中的带式输送机系统示例）。然而，目前关于分解方法的研究不能提供足够的知识和形式化原则来帮助设计人员在架构定义的分解过程中逐渐改进系统架构。本文提出利用基于接口模型的分解方法弥合实施例和分析任务之间的差距，帮助设计人员实现机电系统体系结构的适当层次和粒度。下一节将介绍图3中提出的基于接口模型的分解方法，该图展示了这里回顾的概念设计方法，主要集中在机电一体化系统的体系结构定义，以及部分描述的体系结构定义的三个主要任务。
图2. 系统工程的体系结构类
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