系統工程新方式-MBSE

基于模型的系統工程（Model-based systems engineering）是應對複雜系統正向設計的一種工程方式變革；2006 年10 月，系統工程國際委員會（INCOSE）在《Systems Engineering Vision 2020》中正式提出“基于模型的系統工程”的概念；明确MBSE是基于模型的方式來實作系統的需求定義，設計，分析，驗證和确認的過程；國内從2012年，由中航工業和美國IBM公司基于Harmony SE方法論及IBM Rational 系統工具，展開試點應用，至今發展近10餘年；

MBSE的基礎是系統工程

不論是基于模型的系統工程（MBSE）還是傳統的基于文檔的系統工程，都是系統工程，是不同的系統工程方式。從國外的應用實踐來看，傳統的基于文檔的系統工程應用基礎非常紮實，并在紮實的系統基礎上進行了基于模型的方式的更新應用；

圖1 系統工程标準

西方國家很早就開始開展系統工程應用，積累了紮實的系統工程基礎。是以INCOSE 在2006 年10 月正式提出MBSE概念，是在傳統的系統工程應用基礎之上進行的系統工程應用範式的更新。無論傳統的基于文檔的系統工程（TSE）還是基于模型的系統工程（MBSE），都是系統工程（SE）的範疇，系統工程的基礎不紮實，傳統的基于文檔的系統工程做不好，MBSE應用就更加困難。打好系統工程的基礎，需要從認識并了解系統工程的内涵，了解需求，了解并在實踐中應用系統工程流程，并且掌握對應的各種基礎的工具、語言與方法；

國内現狀與問題

應對裝置等研制的複雜性及開發成本、開發周期帶來的日益苛刻的挑戰，建構方案快速研制模式已經成為系統工程研制的迫切需求；相比于國内外的系統工具支援型号研制工作，還存在一些問題，具體表現在以下方面。

[1]. 缺乏系統架構設計平台

傳統系統工程工具主要面對軟體系統進行架構分析，缺乏裝置等研制總體架構設計工具、仿真工具及模型庫，沒有從系統整體的角度進行方案的驗證支撐能力，通過人為經驗來确定、協調分系統的名額要求。

[2]. 缺乏協同設計仿真能力

采用多種單點工具進行仿真活動，各專業仿真過程缺乏關聯，仿真結果模型資料分散在不同的研發部門，沒有建構統一平台下的模型庫及模型重複利用的能力，沒有對仿真過程及模型進行管理與控制。

[3]. 以文檔為中心的開發模式

整體的開發過程中，上下遊機關之間的協作仍然以文檔為中心，由于自然語言的二義性，容易出現交接時了解溝通的偏差。

[4]. 缺乏可追溯性

整個開發過程中，頂層需求并沒有和系統的架構、設計驗證的模型及測試用例進行很好的關聯與映射，導緻對開發過程中變更控制的難度增加，并與難于保證頂層需求與最終産品性能的一緻性。

建設目标

建立一套基于模型的系統工程實施工具，該平台需具備統一資料、統一語言、統一流程的底層協作平台，包含面向業務分析人員對需求的捕獲和管理能力，面向開發人員基于需求對系統/軟體的開發和協作的能力，面向品質管理人員基于需求和開發結果對産品的測試和品質評估的能力。

通過協作能力、自動化能力、過程透明化能力，将産品開發的需求、設計、配置、變更、建構、測試這一整套過程完全平滑、無縫的串聯起來。

通過系統工程資訊化應用疊代與遞進，實作型号研制過程中産品需求、功能、架構的內建；實作需求、設計模型的共享和協同；提高需求分析、功能分析和設計綜合環節的研發能力，并指導後續的聯合仿真、專業仿真、綜合、驗證與确認。

[1]. 複雜産品開發總體設計要求

由上遊機關（如主機所）下發的複雜産品開發總體設計要求，總體設計要求從功能、性能、接口、限制、功能安全等幾個方面對需求的内容進行定義。

[2]. 功能分析、名額分解

針對總體設計規範中的功能要求，對于複雜産品開發按照不同的應用場景進行逐級的功能分析、分解，判斷系統應該具備哪些功能才能夠滿足總體功能要求，進而形成完整的功能模型，定義功能基線。

對總體設計要求中性能名額要求的名額進行分解，形成完整的名額分解配置設定過程。

[3]. 複雜産品開發邏輯架構定義

根據總體設計規範，依據功能分析和名額分解配置設定的結果，确定複雜産品開發的具體形式，進而确定複雜産品開發的系統組成，例如通過具體的功能及名額等要求确定是否使用可折疊的支撐杆。

完成功能到部件的配置設定，進而實作每個部件的接口以及接口傳輸的資料的定義。同時将性能名額轉換為部件的設計限制，例如将總體設計規範中重量要求配置設定到每個部件中。

針對每個部件形成完整的要求，包括接口要求；重量、尺寸等限制要求；利用追溯性關系得到的功能性能要求。

[4]. 複雜産品開發系統仿真

通過基于MBSE方案利用Modelica模組化對複雜産品開發系統仿真驗證，此時系統内部各部件的品質、質心等參數有可能還不是十分準确，對複雜産品開發動力學運動學的仿真精度有一定影響，但足以滿足前期技術可行性論證的要求。

通過系統仿真判斷功能分析和邏輯架構的設計結果能否滿足總體設計要求。如果不能滿足的，需要判斷是接口定義的問題、功能定義的問題、名額配置設定的問題還是總體設計要求就不合理。

[5]. 複雜産品開發結構設計

可以基于參數的形式進行複雜産品開發的結構設計，可将功能分析、架構定義過程中形成的針對結構的設計參數和設計限制傳遞到結構模型中，與結構設計中使用的參數進行關聯。實作參數驅動的複雜産品開發結構設計，統一參數驅動的複雜産品開發結構設計檢查。

在結構設計過程中，如何産生重量、體積等方面的問題，利用追溯性判斷是針對部件限制條件的定義問題，還是總體設計規範中限制定義的問題。

[6]. 複雜産品開發一維三維聯合的系統仿真

對複雜産品開發三維結構模型進行運動學分析，将三維結構模型直接轉換成一維Modelica模型，各部件之間的運動關系（平動副、轉動副）、各部件的品質、質心等資訊直接提取到Modelica的系統模型中，對複雜産品開發的運動學、動力學描述有比較精确的描述，進而對複雜産品開發控制系統的設計提供更為準确的指導。

應用價值

應用基于模型的系統工程方法，實作對型号研發業務全過程進行追溯與管理，為型号研發業務研發建構基于統一研制模型、面向型号核心業務研發過程、多專業緊耦合協同設計過程、設計驗證一體化過程的型号業務快速研發平台。可較大程度的優化新型号研發過程的協同流程，提高型号研制的創新能力，提高型号研制的可靠性，提高型号研制過程的可控性。進而，大大地縮短型号研制周期，降低風險和後期更改成本，為新型号的工程研制提供有力的創新保障。