使用基于模型的系统工程设计胰岛素输液泵

胰岛素泵系统架构模型

该图显示了胰岛素泵系统的 System Composer™ 架构模型。此示例使用 Stateflow® 模块。如果您没有 Stateflow 许可证，则可以打开和仿真模型，但只能进行基本更改，例如修改模块参数。

openProject("scExampleInsulinPumpSystem");
systemcomposer.openModel("InsulinInfusionPumpSystem.slx");

BGSensor 组件测量血糖水平。Controller 组件决定胰岛素剂量。Pump 组件通过 InfusionSet 为人体提供胰岛素。Patient 接受处理。BGMeter 对 BGSensor 进行校准。最后，HID（人机接口设备）组件可能是手机上的一个移动 App，供患者与系统进行通信。HID 为 PatientDataServer 组件提供信息，后者将分析结果发送给 Clinician、Regulator 和 Reimburser 组件。

系统需求和链接

使用 Requirements Toolbox™ 分析系统需求，进一步将其分解为子系统需求，并将衍生需求与满足这些需求的架构组件链接起来。需要 Requirements Toolbox 许可证才能在 System Composer 中链接、追踪和管理需求。

在 Requirements Toolbox 的“需求透视”中同时管理需求和架构。要打开 需求管理器 (Requirements Toolbox)，请选择 App，然后选择需求管理器。在“需求透视”中，要将需求与组件链接，请从“需求管理器”中点击并拖动需求到组合图中的组件。

要编辑需求，请选择需求 > 需求编辑器或输入以下命令打开 需求编辑器 (Requirements Toolbox)。

slreq.load("Infusion_Pump_System");
slreq.load("Insulin_Pump_Controller_Software_Specification");

slreq.editor

此时的需求分解与分析反映了以下问题：

在架构模型上，选择需求图标以查看与组件相关的需求。例如，以下是链接到组件 Pump 的需求。

相反，选择一个需求，即可查看实现该需求的组件。例如，BGSensor 组件实现了 Sense blood glucose 需求。

最佳设计方案的成果分析

结果分析包括一项权衡研究，其目标是根据对不同组件属性进行加权计算，最大限度地提高设计选项的商业价值。许多属性是直接输入的，例如开发组件的非经常性工程 (NRE) 成本。但是，合规性评分是一个衍生属性，基于每种类型的组件的不同数据。这些属性对系统最终用户的负担进行了建模。合规评分包含以下考量因素：

导航至建模 > 配置文件 > 配置文件编辑器，或输入以下命令。

systemcomposer.profile.editor

在 配置文件编辑器 中定义的 System Composer 配置文件由具有已定义属性的构造型组成。您可以对模型中的组件应用构造型，为每个组件分配特定的属性值。

泵和传感器权衡研究包括以下步骤：

名为 BGSensor 的 Variant Component 模块包含两个不同的传感器变体，代表来自不同制造商的示例传感器。

在此示例中，名为 Variant Component 的模块 Pump 包含三个不同的泵，分别名为 PeristalticPump、SyringePump 和 PatchPump。

要以编程方式在不同的变体选择项组合之间循环，计算合规性并监控结果以确定最佳设计选择，请运行 OutcomeAnalysis.m。有关变体分析的更多信息，请参阅分析函数构造。

run("OutcomeAnalysis.m")

标准化结果评分在 SensorA + SyringePump 组合中达到最高值。此设计方案是胰岛素泵的最佳选择。

控制器实现模型

在 Simulink® 中实现胰岛素输注泵控制器。要访问控制器模型，请导航到 InsulinInfusionPumpSystem 架构模型，然后双击 Controller 组件。此实现中的输入端口包括 User input（包含胰岛素泵读取的用户度量）和 Hardware status（包含胰岛素泵的相关信息）。名为 ModeControl 的模块决定胰岛素泵应以何种模式运行。

名为 ModeControl 的模块包含一个 Stateflow 图，其中详细说明了如何选择模式。

三种模式包括：

选择模式后，该组件的行为将决定输出端口的胰岛素剂量。

使用测试管理器进行验证与确认

您可以使用基于模型的设计来验证架构设计和系统需求。抽象架构模型和详细的 Simulink 设计模型通过可追溯的需求链接相互连接。本部分需要 Simulink® Test™ 许可证。

Simulink 中的 Controller 实现模型展示了对 Alarm handling 需求的需求可追溯性。

使用以下命令加载并查看 Simulink 测试管理器 (Simulink Test)。

sltest.testmanager.load("Controller_Tests.mldatx");

sltest.testmanager.view

Alarm_Detection 功能测试验证了 Alarm handling 需求。

点击框架框右侧的 图标，打开测试框架。在此示例中，名为 Controller 的模块被隔离出来，以便使用测试框架进行单元测试。有关创建测试框架的更多信息，请参阅创建或导入测试框架并选择属性 (Simulink Test)。

双击 Test Sequence 模块以查看测试序列中的步骤。这些步骤定义了一个验证报警系统功能的场景。

要运行此测试，请返回 Simulink 测试管理器 (Simulink Test)。

sltest.testmanager.view

在测试浏览器中右键点击测试 Alarm_Detection，然后选择运行。在“结果与工件”部分，查看您的测试结果。测试通过表明系统需求 Alarm handling 已通过 Test Assessment 模块中定义的条件验证：