基本系統(tǒng)工程專注于功能邏輯模型,，專業(yè)領域關注的是性能模型,，設計和制造專注于幾何模型，MBSE的關鍵是把這幾個模型相互關聯(lián),，形成一套建模標準,。

圖1 MBSE與各模型的關系

基于模型的系統(tǒng)工程MBSE（Model Based Systems Engineering）技術以其無歧義、便于進行設計綜合,、便于進行數(shù)據(jù)更改和追溯等優(yōu)勢,，成為國內外復雜系統(tǒng)設計研究的熱點,，也是解決系統(tǒng)綜合設計的有效手段,。由于復雜系統(tǒng)更需要系統(tǒng)工程的應用,，所以航空、航天及汽車領域是目前系統(tǒng)工程發(fā)展的主要戰(zhàn)場,。

飛機機電系統(tǒng)包括燃油系統(tǒng),、液壓系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng),、電氣系統(tǒng),、二動力系統(tǒng)等，是典型的復雜系統(tǒng),。隨著系統(tǒng)復雜度與綜合化程度的提高,，飛機機電系統(tǒng)的設計過程呈現(xiàn)出需求多樣化、功能交互高度復雜,、各領域物理系統(tǒng)交聯(lián)耦合強,、系統(tǒng)綜合化程度高等特點，開展飛機機電系統(tǒng)綜合設計已成為飛機設計亟需解決的問題,。美國空軍從20世紀80年代開始實施了一系列機電綜合研究計劃,，這些研究計劃不僅在時間上具有連續(xù)性，在研究內容上也具備繼承性,，如圖2所示,。

圖2 軍機機電綜合發(fā)展歷程

以飛機機電系統(tǒng)為例，介紹MBSE設計流程,?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程將系統(tǒng)的設計過程分解為需求（requirements）定義-功能（function）分析-邏輯（logical）設計-3D物理（physical）設計過程，簡稱為RFLP,。RFLP貫穿于產品概念設計,、方案設計、詳細初步設計以及詳細設計整個研制階段中,，對應于每個階段,、每個設計層級（飛機級、系統(tǒng)級,、分系統(tǒng)級,、設備級）、每個系統(tǒng)(燃油系統(tǒng),、環(huán)控系統(tǒng),、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等)構建相應的R模型,、F模型,、L模型和P模型，從而實現(xiàn)對復雜系統(tǒng)需求,、架構,、功能,、行為等不同層面的建模，基于模型支撐整個系統(tǒng)的需求,、設計,、分析、驗證和確認等活動,，實現(xiàn)整個設計過程的數(shù)據(jù)追溯,。基于Ｖ模式的MBSE技術的分層設計過程如圖3所示,。

圖3 機電系統(tǒng)分層V模式MBSE技術

圖3的上半部分為系統(tǒng)工程的V研制過程,。左側描述了自頂向下設計過程：在R層通過捕獲客戶需求，進行設計需求的定義,，將捕獲的需求進行分類,、分層的結構化組織和管理；在F層構建系統(tǒng)功能分析模型,，進行系統(tǒng)功能的分析,，構建系統(tǒng)的功能架構，對功能需求進行驗證,，并建立功能設計數(shù)據(jù)和需求之間的追溯關系,；考慮各項性能需求，在L層進行系統(tǒng)的架構設計,，進行系統(tǒng)仿真模型的構建,，進行系統(tǒng)綜合設計方案的論證，經過權衡分析,，確定綜合性能最優(yōu)的系統(tǒng)設計方案,，建立邏輯設計數(shù)據(jù)和功能設計數(shù)據(jù)或者需求間的追溯關系；在P層,，進行各系統(tǒng)的3D結構關聯(lián)設計,，進行物理樣機的幾何審查，并建立物理和邏輯,、功能以及需求數(shù)據(jù)之間的追溯關系,。右側描述了自底向上的測試、集成和驗證過程：首先進行各設計單元獨立的測試,，然后逐級向上集成為分系統(tǒng),、系統(tǒng)，進行各級需求的驗證,，不滿足系統(tǒng)功能,、性能、外形、重量等設計要求的,，追蹤到相應的設計層,，進行相應的設計更改，并重新進行測試,、集成和驗證過程。最終,，確認系統(tǒng)的整個設計是否滿足客戶的需求,，是否達到客戶的期望。中間的豎條是各層的模型知識庫,，用于組織管理,、存儲各個過程所形成的結構化模型，實現(xiàn)不同型號,、項目基于模型的設計經驗的積累和知識的傳承,。

縱觀整個系統(tǒng)設計過程，對于系統(tǒng)綜合級,、系統(tǒng)級,、分系統(tǒng)級、子系統(tǒng)級,，每一級都是一個基于V模型的研制過程,，只是模型的細化；對于機電系統(tǒng)綜合,、電氣系統(tǒng),、環(huán)控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng),，每一個系統(tǒng)又是一個層級嵌套的基于V模型的研制過程,。整個MBSE過程既是需求的實現(xiàn)過程，也是對需求的分析和驗證過程,，同時,，驅動上層的需求逐步細化并向下層進行分解與分配。

MBSE技術涉及到大量不同層級的建模仿真工具,，本文介紹目前飛機設計中常用的軟件工具如圖4所示,。

圖4 MBSE飛機設計工具鏈框架

需求是飛機設計中最先需要分析和定義的。需求相關的工作主要有：識別利益相關方,、捕獲利益相關方需求和需求管理,。目前常用的需求管理軟件是IBM公司的DOORS軟件。

DOORS軟件是全球領先的需求管理工具,，是為捕捉,、鏈接、追蹤、分析并管理信息的變更以確保項目順從特定需求和標準而設計的多平臺系統(tǒng),。主要有以下比較顯著的性能：(1) 有相互協(xié)作的需求管理環(huán)境,；(2) 能管理需求更改；(3) 能對需求進行很好的追蹤,；(4) 可擴展性,；(5) 用于不同規(guī)模測試環(huán)境的測試追蹤工具；(6) 可以對需求進行簽審等,。

設計活動需要分析頂層及下層的需求,，根據(jù)不同的場景，定義功能之間的關系,，確定功能模型,，并且能在一定程度上對需求進行確認和補充。用于功能定義與分析的軟件主要有IBM公司的Rhapsody和EA（Enterprise Architec）軟件等,。

Rhapsody是業(yè)界領先的系統(tǒng)設計解決方案,，可以滿足生命周期中從需求捕獲到系統(tǒng)開發(fā)的全過程需要?？梢詫崿F(xiàn)基于UML和SysML的模型驅動系統(tǒng)開發(fā),，并提供支持完整的C、C++,、Ada和Java開發(fā)語言的主機和目標模擬環(huán)境,，包括代碼生成。它主要有以下特點：(1) 面向功能分解的結構化建模方式,；(2) 支持UML2.0及更高版本的功能,；(3) 支持逆向工程的系統(tǒng)開發(fā)；(4) 能生成可執(zhí)行的模型,；(5) 模型與代碼可關聯(lián),；(6) 自動生成文檔等。

EA是一個基于UML的全功能的可視化編程工具,，在用戶界面模擬,、影響分析、改善模型文檔,、加強項目管理等多個方面提供了強大的能力,。主要功能包括：需求管理、項目管理,、模型仿真,、UML建模、SysML建模,、應用程序執(zhí)行與調試,、雙向代碼工程,、版本管理、BPMN建模,、測試點管理等,，并且能夠生成PDF格式、RTF格式和HTML格式的文檔報告,。

需求與功能確定之后,，需要確定系統(tǒng)的架構、邏輯關系以及基本的分配布置等,。目前邏輯層的常用軟件有PaceLab,、LMS Imagine.Lab等。

PaceLab是PACE公司開發(fā)的針對民機初期設計優(yōu)化的一個軟件,。它有一個專門進行飛機系統(tǒng)架構設計以及權衡分析的模塊，叫做SysArc,。SysArc基于兩個基本的組件,，分別是PaceLab Suite和PaceLab APD。

PaceLab Suite是一個基于知識工程的軟件平臺,，具有很強的擴展性,。PaceLab APD是基于Suite開發(fā)的一個專門針對飛機方案設計階段的工具模塊。SysArc是在APD的基礎之上,，針對飛機的功能子系統(tǒng)設計而專門開發(fā)的工具模塊,。它主要對各個功能子系統(tǒng)進行方案評估，包括：功能子系統(tǒng)模型庫,、盒段分區(qū),、自動布線、失效模式研究,、電耗和熱負荷研究,。除了研究子系統(tǒng)本身的系統(tǒng)設計外，也可以研究子系統(tǒng)對整個飛機的影響,，比如設備布置和布線方式對重量重心,、飛行性能的影響。

LMS Imagine.Lab是一個綜合性的軟件,，能涵蓋MBSE的多個層級的工作,。在邏輯層的架構設計中，LMS Imagine.Lab有System Sythesis模塊,。System Sythesis模塊的功能有：(1) 系統(tǒng)架構設計,；(2) 系統(tǒng)模型配置；(3) 仿真工況定義,；(4) 后處理,；(5) 優(yōu)化,。

建模仿真指的是與物理實體以及實體的性能相關的建模仿真，主要實現(xiàn)系統(tǒng)的性能和三維物理的建模,。在三維物理建模領域,，用得最多的是CATIA軟件，而在性能建模中,，當前流行多學科的聯(lián)合建模仿真,，常用的諸如Dymola、SimulationX等,。

CATIA是三維物理建模領域當之無愧的領袖,，在全球的航空航天企業(yè)中已經大規(guī)模的應用。很多企業(yè)得益于CATIA軟件的應用,，實現(xiàn)了飛機設計的無紙化,，大大提高了效率。其功能十分強大,，擁有眾多的模塊,，提供產品的風格和外形設計、機械設計,、設備與系統(tǒng)工程,、管理數(shù)字樣機、機械加工,、分析和模擬等功能,。

在多學科聯(lián)合建模領域，當前最流行的軟件主要是基于Modelica語言,，來實現(xiàn)機械,、流體、電子電氣,、電磁,、控制、傳熱等多個工程領域的聯(lián)合仿真,。另外FMI標準的提出,，也為多學科建模工具與傳統(tǒng)建模工具如Simulink等軟件的鏈接提供了可能。在該領域,，Dymola和SimulationX是其中的佼佼者,。Dymola是法國Dassault Systemes公司的多學科系統(tǒng)建模仿真工具，廣泛應用于汽車,、航空,、航天、能源等行業(yè)系統(tǒng)的功能驗證和硬件在環(huán)仿真,，主要特點為：(1) 開源,；(2) 無因果建模,；(3) 開放性；(4) 符號運算,。SimulationX是一款多學科領域建模,、仿真和分析的通用工具，能分析評價技術系統(tǒng)內各部件的相互作用,，并擁有強大標準元件庫,，這些元件庫包括氣動力學、熱力學,、電子學,、三維多體系統(tǒng)、一維力學,、動力傳動系統(tǒng),、液力學、磁學和控制,。

MBSE作為未來飛機機電系統(tǒng)綜合設計的關鍵技術,，是未來飛機設計的重要方向。它以建立系統(tǒng)的不同視角模型為中心,，自概念設計階段開始,，貫穿整個開發(fā)過程和后續(xù)的生命周期階段,，目的是打通系統(tǒng)不同組件,、不同學科之間的聯(lián)系、提高設計的準確性,、真正實現(xiàn)機電系統(tǒng)的綜合設計,。同時，它也是諸如數(shù)字孿生等新興技術的重要基礎,，開發(fā)自主可控的MBSE設計平臺,，是未來航空裝備及其他復雜系統(tǒng)設計能力的重要保障。

參考文獻

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