立足航天、面向工業(yè)、服務行業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程及MWORKS實踐聶蘭順教授2024年11月08日立足航天、面向工業(yè)、服務行業(yè)設(shè)計與仿真一體化的新一代MBSE方法聶蘭順教授2024年11月08日設(shè)計與仿真一體化的MBSE技術(shù)體系緊貼業(yè)務，擴展方便，定制適用于不同專業(yè)的設(shè)計工具領(lǐng)域知識模型復用支持多層級模板、模型庫的積累與復用，實現(xiàn)領(lǐng)域知識的高效應用設(shè)計仿真模型轉(zhuǎn)換開放定制能力形成與裝備設(shè)計流程的平臺功能，方便設(shè)計師更快理解掌握系統(tǒng)設(shè)計模型與系統(tǒng)仿真模型快速轉(zhuǎn)換，打通設(shè)計驗證閉環(huán)設(shè)計流程集成設(shè)計與仿真一體化的MBSE技術(shù)體系將通用的MBSE方法、工具、模型等與具體業(yè)務相結(jié)合，構(gòu)建流程、模型、工具、標準規(guī)范、團隊相融合的MBSE技術(shù)體系，覆蓋全生命周期各階段活動，提供統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一的數(shù)字化設(shè)計驗證操作要求、統(tǒng)一的軟件工具平臺，支撐跨階段、跨層級、跨團隊的協(xié)同論證、設(shè)計與運營流程是MBSE技術(shù)體系的核心模型為MBSE技術(shù)體系提供了基礎(chǔ)資源工具為MBSE全流程業(yè)務活動提供平臺功能支撐標準規(guī)范為研制團隊提供具體的工作指導團隊能力是全部研制能力的核心新一代MBSE方法的技術(shù)特點統(tǒng)一架構(gòu)按照系統(tǒng)架構(gòu)拆分為若干個可獨立執(zhí)行的業(yè)務組件，并將模型按照生命周期與版本修訂過程分別建立不同顆粒度的系統(tǒng)構(gòu)型與組件模型。通過構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型與建模仿真框架接口的映射關(guān)系，實現(xiàn)架構(gòu)驅(qū)動的多層次、多顆粒度、多版本模型重構(gòu)，式支持系統(tǒng)模型的組裝定制和擴展以面向?qū)ο蟮姆绞綐?gòu)建統(tǒng)一架構(gòu)，可以根據(jù)技術(shù)方案進行靈活配置，以參數(shù)化的形式完成模型實例化，能夠根據(jù)模型庫索引信息，實現(xiàn)對設(shè)計元模型庫、仿真模型庫進行集成調(diào)用新一代MBSE方法的技術(shù)特點統(tǒng)一接口復雜系統(tǒng)模型具有層次特性，面向裝備系統(tǒng)不同研制階段，產(chǎn)生不同顆粒度模型，需要定義不同顆粒度的模型接口面向研制單位內(nèi)部的需求，提供流程接口和業(yè)務接口，流程接口為流程管理、技術(shù)狀態(tài)管理、模型數(shù)據(jù)管理等信息化系統(tǒng)提供了工具和模型訪問接口，業(yè)務接口則為數(shù)字試驗管理、故障仿真、健康狀態(tài)評估等具體業(yè)務場景的仿真需求提供不同模型的訪問接口通過面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)特性，構(gòu)建可配置的系統(tǒng)任務接口模型體系，支持不同視圖模型的調(diào)用；通過面向?qū)ο蟮某橄罄^承特性實現(xiàn)不同顆粒度接口模型的定義，定義多階段接口的持續(xù)細化路徑，支持使命、任務、需求、概念、架構(gòu)等不同階段模型的遞進演化可以將通用設(shè)計接口要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計仿真專用的接口模型，對外提供參數(shù)化調(diào)用，并支持參數(shù)驅(qū)動的接口類型、顆粒度、專業(yè)的自動實例化生成新一代MBSE方法的技術(shù)特點統(tǒng)一模型霍爾三維結(jié)構(gòu)提出包含層級、流程、專業(yè)三個維度的三維模型體系框架模型體系按照復雜系統(tǒng)任務設(shè)計與仿真流程，可分為需求模型、功能模型、架構(gòu)模型及仿真模型4類，再細分為不同層級，每類模型按照專業(yè)又分為不同分系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)范目標是規(guī)范描述多領(lǐng)域、多層級系統(tǒng)的不同模型視圖通過基礎(chǔ)語言標準支持跨學科、跨項目和跨組織的溝通通過通用接口標準支持跨平臺工具之間的通信協(xié)同支持系統(tǒng)建模或集成應用的準確性以及表達方式的一致性覆蓋特定領(lǐng)域，支撐模型的跨領(lǐng)域集成，實現(xiàn)系統(tǒng)模型的集成、分析、規(guī)范、設(shè)計和驗證MBSE方法的“三階段六過程”流程模型與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法相同，MBSE方法同樣要約定研制流程INCOSE提出的一種系統(tǒng)工程V形圖模型在MBSE應用實踐過程中，需要將模型、工具與研制流程相匹配有大量的工程實踐致力于探索系統(tǒng)工程和專業(yè)工程的融合應用參考各種復雜系統(tǒng)研制流程劃分方式，結(jié)合實踐的經(jīng)驗積累，形成了各種復雜系統(tǒng)研制流程模型。根據(jù)這些模型的相似性，抽象出適合各類不同復雜系統(tǒng)研制需求的通用MBSE方法的流程模型MBSE方法的“三階段六過程”MBSE方法的“三階段六過程”某復雜系統(tǒng)研制的任務分解示例MBSE方法的“三階段六過程”定義使命任務定義系統(tǒng)概念分析資源約束識別系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求第一階段：使命任務定義與需求分析圍繞系統(tǒng)的各種運行目標、市場目標，識別出典型的任務場景，以用例圖的形式建立使命任務模型，描述系統(tǒng)上下文信息，定義利益相關(guān)方角色和任務場景用例，對任務用例進行分解及分配，梳理形成數(shù)字化的任務模型和結(jié)構(gòu)化、可量化的任務要求。在每個任務場景中都需要考慮系統(tǒng)目標、環(huán)境特點，且明確相關(guān)任務場景中的主要參與者，描述其關(guān)聯(lián)關(guān)系。MBSE方法的“三階段六過程”系統(tǒng)、產(chǎn)品功能需求多專業(yè)設(shè)計方案信息、控制以及機電熱多專業(yè)設(shè)計方案系統(tǒng)整體架構(gòu)工程總體、系統(tǒng)功能、參數(shù)、接口的分配、關(guān)聯(lián)與映射多專業(yè)仿真模型信息、控制以及機電熱多專業(yè)仿真模型綜合驗證將產(chǎn)品設(shè)計模型、仿真模型綜合為系統(tǒng)級詳細模型，開展綜合驗證第二階段：系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證系統(tǒng)概念架構(gòu)分解為各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，通過規(guī)范的需求、接口、參數(shù)、行為、約束建模過程，由各專業(yè)團隊并行開展系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計工作，定義能源動力、制導控制、機械傳動、供配電、信息通信等物理方案與運行邏輯，集成為系統(tǒng)整體模型，通過關(guān)聯(lián)追溯矩陣、參數(shù)圖、行為圖仿真等方式，從系統(tǒng)功能、運行成本、技術(shù)可行性、可靠性、安全性等維度開展可行性分析與驗證，形成系統(tǒng)架構(gòu)方案。擴展系統(tǒng)架構(gòu)視圖構(gòu)建接口模型譜系描述關(guān)聯(lián)追溯關(guān)系構(gòu)建分系統(tǒng)架構(gòu)視圖構(gòu)建可行性論證視圖MBSE方法的“三階段六過程”第三階段：運行方案仿真與綜合評估開展系統(tǒng)物理原理、運行機理的細化描述，擴展其物理模型，描述其系統(tǒng)運行邏輯過程或者協(xié)同運行過程，根據(jù)任務場景中的用例，對系統(tǒng)運行方案模型進行重新配置，對各類系統(tǒng)需求進行定性、定量的驗證分析，開展系統(tǒng)方案的綜合評估，支持多方案權(quán)衡，選取最合適的系統(tǒng)方案。構(gòu)建運行方案仿真模型開展多方案分析與權(quán)衡確定分系統(tǒng)的評估標準與方法技術(shù)指標綜合評估多領(lǐng)域統(tǒng)一模型體系按照MBSE流程要求，系統(tǒng)設(shè)計、驗證、評估等需要以多領(lǐng)域統(tǒng)一模型為基礎(chǔ)，各層級、各團隊之間的模型傳遞、共享也應以模塊化模型為載體，需要覆蓋流程、層級、專業(yè)三個維度；“三階段六過程”的三維模型體系框架，為系統(tǒng)多階段、多任務、多層級協(xié)同的MBSE流程提供完整的數(shù)字化模型支持，保證跨專業(yè)、跨團隊協(xié)同論證過程的模型一致性和可互操作性；在MBSE流程的執(zhí)行過程中，可以沿上述三個維度中的某一個對模型體系進行展開，將另外兩個維度的模型需求進行歸納整理，形成多維度的模型庫。結(jié)合MBSE工具體系實現(xiàn)對多維度模型庫的統(tǒng)一存儲、管理、共享、應用，以此作為使命任務定義與需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證、運行方案仿真與綜合評估三個階段的統(tǒng)一模型架構(gòu)，覆蓋任務、系統(tǒng)、分系統(tǒng)和組件等多個模型層級，兼顧環(huán)境類模型，支持不同階段、不同層級的設(shè)計與分析工作。多領(lǐng)域統(tǒng)一模型體系在任務級，建立任務模型，定義任務執(zhí)行參數(shù)與剖面，有針對性地開展分析與驗證。建立日環(huán)境參數(shù)模型；在系統(tǒng)級，建立系統(tǒng)模型，描述系統(tǒng)的功能以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和接口，支持系統(tǒng)設(shè)計與驗證；在分系統(tǒng)級建立分系統(tǒng)模型，支持各專業(yè)設(shè)計知識的復用；在組件級，建立通用的基礎(chǔ)組件模型，為各層級建模提供更豐富的補充；系統(tǒng)各層級的模型庫，具有高度的模塊化特點，可以通過理論分析、同類模型對比、試驗數(shù)據(jù)對比驗證、相近系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)標定等形式開展模型驗證，提高仿真結(jié)果的可靠性。設(shè)計與仿真一體化的MBSE工具平臺復雜系統(tǒng)論證過程要求建設(shè)如圖的滿足任務整體復雜性要求的完整工具體系，形成設(shè)計與仿真一體化的MBSE工具平臺；在工程總體層面（任務級），開展多種任務場景的建模描述與評估，實現(xiàn)技術(shù)指標定義、系統(tǒng)需求分解與分配、實施路線的定義與優(yōu)化等；在系統(tǒng)層面（系統(tǒng)級），部署系統(tǒng)架構(gòu)分析、需求管理、系統(tǒng)仿真驗證等軟件，開展動力、傳動、控制、通信、探測等系統(tǒng)的設(shè)計論證工作；在專業(yè)技術(shù)層面（分系統(tǒng)級），開展各分系統(tǒng)的能源、控制、運輸?shù)葘ｍ椚蝿赵O(shè)計與分系統(tǒng)設(shè)計，構(gòu)建專業(yè)詳細設(shè)計和仿真模型，開展成本、風險和可靠性等指標的驗證與評估，建設(shè)專業(yè)設(shè)計與仿真軟件和各類系統(tǒng)分析軟件，支持各專業(yè)層級的任務分析與系統(tǒng)評估。MBSE協(xié)同設(shè)計論證標準規(guī)范體系1.標準規(guī)范體系基礎(chǔ)標準規(guī)范基礎(chǔ)語言規(guī)范，定義建模仿真能力，系統(tǒng)研發(fā)工具、模型體系遵循國際通用基礎(chǔ)語言規(guī)范開發(fā)，從而可以保證設(shè)計、驗證工具與模型的先進性和協(xié)同性系統(tǒng)建模規(guī)范是建模準確性與可讀性的保障，通過對模型架構(gòu)、開發(fā)、定義以及測試驗證等進行全方位的規(guī)范定義，保證模型表達的正確性、模型結(jié)果的可信性、模型復用的規(guī)范性模型驗證規(guī)范定義模型的驗證與確認方式，包括測試大綱、測試流程、驗證流程、驗證數(shù)據(jù)來源以及驗證結(jié)果評價方式等，是模型尤其是可運行模型可靠性、可信性的保障。模型應用規(guī)范則從總體流程、任務分析、工具選擇、角色分工、過程控制、結(jié)果形式等角度定義應用方法與準則，保證仿真過程可控、結(jié)果可信和數(shù)據(jù)可追溯。規(guī)范文檔名稱使命任務定義與需求分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證運行方案仿真與綜合評估使命任務建模規(guī)范√——需求建模規(guī)范√——需求描述規(guī)范√——功能描述規(guī)范√√√架構(gòu)定義規(guī)范√√√邏輯建模規(guī)范√√√系統(tǒng)驗證規(guī)范—√√建模語言規(guī)范√√√模型接口規(guī)范√√—軟件接口規(guī)范√√—文件規(guī)范√√√可靠性分析規(guī)范—TBD—安全性分析規(guī)范—TBD—保障性分析規(guī)范—TBD—維護性分析規(guī)范—TBD—測試性分析規(guī)范—TBD—模型傳遞規(guī)范√√√流程活動規(guī)范√√√驗證計劃規(guī)范—TBD√技術(shù)狀態(tài)管理規(guī)范√√√數(shù)據(jù)管理規(guī)范√√