浅谈基于模型的系统工程（MBSE）技术

MBSE

概念‍

国际系统工程学会（INCOSE）在《系统工程2020年愿景》中，给出MBSE技术的定义：基于模型的系统工程是对系统工程活动中建模方法应用的正式认同，以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有的生命周期阶段。

基本系统工程专注于功能逻辑模型，专业领域关注的是性能模型，设计和制造专注于几何模型，MBSE的关键是把这几个模型相互关联，形成一套建模标准。

图1 MBSE与各模型的关系

基于模型的系统工程MBSE（Model Based Systems Engineering）技术以其无歧义、便于进行设计综合、便于进行数据更改和追溯等优势，成为国内外复杂系统设计研究的热点，也是解决系统综合设计的有效手段。由于复杂系统更需要系统工程的应用，所以航空、航天及汽车领域是目前系统工程发展的主要战场。

飞机机电系统包括燃油系统、液压系统、环控系统、电气系统、二动力系统等，是典型的复杂系统。随着系统复杂度与综合化程度的提高，飞机机电系统的设计过程呈现出需求多样化、功能交互高度复杂、各领域物理系统交联耦合强、系统综合化程度高等特点，开展飞机机电系统综合设计已成为飞机设计亟需解决的问题。美国空军从20世纪80年代开始实施了一系列机电综合研究计划，这些研究计划不仅在时间上具有连续性，在研究内容上也具备继承性，如图2所示。

图2 军机机电综合发展历程

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设计流程‍

以飞机机电系统为例，介绍MBSE设计流程。基于模型的系统工程将系统的设计过程分解为需求（requirements）定义-功能（function）分析-逻辑（logical）设计-3D物理（physical）设计过程，简称为RFLP。RFLP贯穿于产品概念设计、方案设计、详细初步设计以及详细设计整个研制阶段中，对应于每个阶段、每个设计层级（飞机级、系统级、分系统级、设备级）、每个系统(燃油系统、环控系统、液压系统、电气系统等)构建相应的R模型、F模型、L模型和P模型，从而实现对复杂系统需求、架构、功能、行为等不同层面的建模，基于模型支撑整个系统的需求、设计、分析、验证和确认等活动，实现整个设计过程的数据追溯。基于Ｖ模式的MBSE技术的分层设计过程如图3所示。

图3 机电系统分层V模式MBSE技术

图3的上半部分为系统工程的V研制过程。左侧描述了自顶向下设计过程：在R层通过捕获客户需求，进行设计需求的定义，将捕获的需求进行分类、分层的结构化组织和管理；在F层构建系统功能分析模型，进行系统功能的分析，构建系统的功能架构，对功能需求进行验证，并建立功能设计数据和需求之间的追溯关系；考虑各项性能需求，在L层进行系统的架构设计，进行系统仿真模型的构建，进行系统综合设计方案的论证，经过权衡分析，确定综合性能最优的系统设计方案，建立逻辑设计数据和功能设计数据或者需求间的追溯关系；在P层，进行各系统的3D结构关联设计，进行物理样机的几何审查，并建立物理和逻辑、功能以及需求数据之间的追溯关系。右侧描述了自底向上的测试、集成和验证过程：首先进行各设计单元独立的测试，然后逐级向上集成为分系统、系统，进行各级需求的验证，不满足系统功能、性能、外形、重量等设计要求的，追踪到相应的设计层，进行相应的设计更改，并重新进行测试、集成和验证过程。最终，确认系统的整个设计是否满足客户的需求，是否达到客户的期望。中间的竖条是各层的模型知识库，用于组织管理、存储各个过程所形成的结构化模型，实现不同型号、项目基于模型的设计经验的积累和知识的传承。

纵观整个系统设计过程，对于系统综合级、系统级、分系统级、子系统级，每一级都是一个基于V模型的研制过程，只是模型的细化；对于机电系统综合、电气系统、环控系统、液压系统，每一个系统又是一个层级嵌套的基于V模型的研制过程。整个MBSE过程既是需求的实现过程，也是对需求的分析和验证过程，同时，驱动上层的需求逐步细化并向下层进行分解与分配。

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常用工具‍

MBSE技术涉及到大量不同层级的建模仿真工具，本文介绍目前飞机设计中常用的软件工具如图4所示。

图4 MBSE飞机设计工具链框架

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需求管理工具

需求是飞机设计中最先需要分析和定义的。需求相关的工作主要有：识别利益相关方、捕获利益相关方需求和需求管理。目前常用的需求管理软件是IBM公司的DOORS软件。

DOORS软件是全球领先的需求管理工具，是为捕捉、链接、追踪、分析并管理信息的变更以确保项目顺从特定需求和标准而设计的多平台系统。主要有以下比较显著的性能：(1) 有相互协作的需求管理环境；(2) 能管理需求更改；(3) 能对需求进行很好的追踪；(4) 可扩展性；(5) 用于不同规模测试环境的测试追踪工具；(6) 可以对需求进行签审等。

No.

2

功能定义与分析工具

设计活动需要分析顶层及下层的需求，根据不同的场景，定义功能之间的关系，确定功能模型，并且能在一定程度上对需求进行确认和补充。用于功能定义与分析的软件主要有IBM公司的Rhapsody和EA（Enterprise Architec）软件等。

Rhapsody是业界领先的系统设计解决方案，可以满足生命周期中从需求捕获到系统开发的全过程需要。可以实现基于UML和SysML的模型驱动系统开发，并提供支持完整的C、C++、Ada和Java开发语言的主机和目标模拟环境，包括代码生成。它主要有以下特点：(1) 面向功能分解的结构化建模方式；(2) 支持UML2.0及更高版本的功能；(3) 支持逆向工程的系统开发；(4) 能生成可执行的模型；(5) 模型与代码可关联；(6) 自动生成文档等。

EA是一个基于UML的全功能的可视化编程工具，在用户界面模拟、影响分析、改善模型文档、加强项目管理等多个方面提供了强大的能力。主要功能包括：需求管理、项目管理、模型仿真、UML建模、SysML建模、应用程序执行与调试、双向代码工程、版本管理、BPMN建模、测试点管理等，并且能够生成PDF格式、RTF格式和HTML格式的文档报告。

No.

3

逻辑架构工具

需求与功能确定之后，需要确定系统的架构、逻辑关系以及基本的分配布置等。目前逻辑层的常用软件有PaceLab、LMS Imagine.Lab等。

PaceLab是PACE公司开发的针对民机初期设计优化的一个软件。它有一个专门进行飞机系统架构设计以及权衡分析的模块，叫做SysArc。SysArc基于两个基本的组件，分别是PaceLab Suite和PaceLab APD。

PaceLab Suite是一个基于知识工程的软件平台，具有很强的扩展性。PaceLab APD是基于Suite开发的一个专门针对飞机方案设计阶段的工具模块。SysArc是在APD的基础之上，针对飞机的功能子系统设计而专门开发的工具模块。它主要对各个功能子系统进行方案评估，包括：功能子系统模型库、盒段分区、自动布线、失效模式研究、电耗和热负荷研究。除了研究子系统本身的系统设计外，也可以研究子系统对整个飞机的影响，比如设备布置和布线方式对重量重心、飞行性能的影响。

LMS Imagine.Lab是一个综合性的软件，能涵盖MBSE的多个层级的工作。在逻辑层的架构设计中，LMS Imagine.Lab有System Sythesis模块。System Sythesis模块的功能有：(1) 系统架构设计；(2) 系统模型配置；(3) 仿真工况定义；(4) 后处理；(5) 优化。

No.

4

物理建模仿真工具

建模仿真指的是与物理实体以及实体的性能相关的建模仿真，主要实现系统的性能和三维物理的建模。在三维物理建模领域，用得最多的是CATIA软件，而在性能建模中，当前流行多学科的联合建模仿真，常用的诸如Dymola、SimulationX等。

CATIA是三维物理建模领域当之无愧的领袖，在全球的航空航天企业中已经大规模的应用。很多企业得益于CATIA软件的应用，实现了飞机设计的无纸化，大大提高了效率。其功能十分强大，拥有众多的模块，提供产品的风格和外形设计、机械设计、设备与系统工程、管理数字样机、机械加工、分析和模拟等功能。

在多学科联合建模领域，当前最流行的软件主要是基于Modelica语言，来实现机械、流体、电子电气、电磁、控制、传热等多个工程领域的联合仿真。另外FMI标准的提出，也为多学科建模工具与传统建模工具如Simulink等软件的链接提供了可能。在该领域，Dymola和SimulationX是其中的佼佼者。Dymola是法国Dassault Systemes公司的多学科系统建模仿真工具，广泛应用于汽车、航空、航天、能源等行业系统的功能验证和硬件在环仿真，主要特点为：(1) 开源；(2) 无因果建模；(3) 开放性；(4) 符号运算。SimulationX是一款多学科领域建模、仿真和分析的通用工具，能分析评价技术系统内各部件的相互作用，并拥有强大标准元件库，这些元件库包括气动力学、热力学、电子学、三维多体系统、一维力学、动力传动系统、液力学、磁学和控制。

总结

MBSE作为未来飞机机电系统综合设计的关键技术，是未来飞机设计的重要方向。它以建立系统的不同视角模型为中心，自概念设计阶段开始，贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段，目的是打通系统不同组件、不同学科之间的联系、提高设计的准确性、真正实现机电系统的综合设计。同时，它也是诸如数字孪生等新兴技术的重要基础，开发自主可控的MBSE设计平台，是未来航空装备及其他复杂系统设计能力的重要保障。

THE END

参考文献

1.国际系统工程协会编著, 张新国译. 系统工程手册[M]. 机械工业出版社, 2017.3: 615-619.

2.  郭生荣. 航空机电系统综合技术发展分析[J]. 航空科学技术, 2013(05): 5-10.

3.  吴颖, 刘俊堂. MBSE技术研究及其在飞机机电系统综合设计中的应用[C]. 第二十届中国系统仿真技术及其应用学术年会(20th CCSSTA 2019).

4.  徐州. 基于MBSE方法进行民机设计的工具链建设[J]. 航空制造技术, 2017(5).

5.  聂同攀, 梁伟. 基于模型的飞机机电综合管理系统设计应用研究[J]. 航空科学技术, 2017, 028(006):74-78.