基本系統(tǒng)工程專注于功能邏輯模型，專業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的是性能模型，設(shè)計和制造專注于幾何模型，MBSE的關(guān)鍵是把這幾個模型相互關(guān)聯(lián)，形成一套建模標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 MBSE與各模型的關(guān)系

基于模型的系統(tǒng)工程MBSE（Model Based Systems Engineering）技術(shù)以其無歧義、便于進行設(shè)計綜合、便于進行數(shù)據(jù)更改和追溯等優(yōu)勢，成為國內(nèi)外復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計研究的熱點，也是解決系統(tǒng)綜合設(shè)計的有效手段。由于復(fù)雜系統(tǒng)更需要系統(tǒng)工程的應(yīng)用，所以航空、航天及汽車領(lǐng)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(fù)雜系統(tǒng)。隨著系統(tǒng)復(fù)雜度與綜合化程度的提高，飛機機電系統(tǒng)的設(shè)計過程呈現(xiàn)出需求多樣化、功能交互高度復(fù)雜、各領(lǐng)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(shè)計已成為飛機設(shè)計亟需解決的問題。美國空軍從20世紀(jì)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(nèi)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(shè)計流程?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程將系統(tǒng)的設(shè)計過程分解為需求（requirements）定義-功能（function）分析-邏輯（logical）設(shè)計-3D物理（physical）設(shè)計過程，簡稱為RFLP。RFLP貫穿于產(chǎn)品概念設(shè)計、方案設(shè)計、詳細初步設(shè)計以及詳細設(shè)計整個研制階段中，對應(yīng)于每個階段、每個設(shè)計層級（飛機級、系統(tǒng)級、分系統(tǒng)級、設(shè)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(gòu)建相應(yīng)的R模型、F模型、L模型和P模型，從而實現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)需求、架構(gòu)、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(shè)計、分析、驗證和確認等活動，實現(xiàn)整個設(shè)計過程的數(shù)據(jù)追溯?；冢帜Ｊ降腗BSE技術(shù)的分層設(shè)計過程如圖3所示。

圖3 機電系統(tǒng)分層V模式MBSE技術(shù)

圖3的上半部分為系統(tǒng)工程的V研制過程。左側(cè)描述了自頂向下設(shè)計過程：在R層通過捕獲客戶需求，進行設(shè)計需求的定義，將捕獲的需求進行分類、分層的結(jié)構(gòu)化組織和管理；在F層構(gòu)建系統(tǒng)功能分析模型，進行系統(tǒng)功能的分析，構(gòu)建系統(tǒng)的功能架構(gòu)，對功能需求進行驗證，并建立功能設(shè)計數(shù)據(jù)和需求之間的追溯關(guān)系；考慮各項性能需求，在L層進行系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，進行系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建，進行系統(tǒng)綜合設(shè)計方案的論證，經(jīng)過權(quán)衡分析，確定綜合性能最優(yōu)的系統(tǒng)設(shè)計方案，建立邏輯設(shè)計數(shù)據(jù)和功能設(shè)計數(shù)據(jù)或者需求間的追溯關(guān)系；在P層，進行各系統(tǒng)的3D結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)設(shè)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(guān)系。右側(cè)描述了自底向上的測試、集成和驗證過程：首先進行各設(shè)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(shè)計要求的，追蹤到相應(yīng)的設(shè)計層，進行相應(yīng)的設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)化模型，實現(xiàn)不同型號、項目基于模型的設(shè)計經(jīng)驗的積累和知識的傳承。

縱觀整個系統(tǒng)設(shè)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(qū)動上層的需求逐步細化并向下層進行分解與分配。

MBSE技術(shù)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(shè)計中常用的軟件工具如圖4所示。

圖4 MBSE飛機設(shè)計工具鏈框架

需求是飛機設(shè)計中最先需要分析和定義的。需求相關(guān)的工作主要有：識別利益相關(guān)方、捕獲利益相關(guān)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(lǐng)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(biāo)準(zhǔn)而設(shè)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(shè)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(guān)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(lǐng)先的系統(tǒng)設(shè)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(qū)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(guān)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(yīng)用程序執(zhí)行與調(diào)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(gòu)、邏輯關(guān)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(shè)計優(yōu)化的一個軟件。它有一個專門進行飛機系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計以及權(quán)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(shè)計階段的工具模塊。SysArc是在APD的基礎(chǔ)之上，針對飛機的功能子系統(tǒng)設(shè)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(shè)計外，也可以研究子系統(tǒng)對整個飛機的影響，比如設(shè)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(gòu)設(shè)計中，LMS Imagine.Lab有System Sythesis模塊。System Sythesis模塊的功能有：(1) 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)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(guān)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(lǐng)域，用得最多的是CATIA軟件，而在性能建模中，當(dāng)前流行多學(xué)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(lǐng)域當(dāng)之無愧的領(lǐng)袖，在全球的航空航天企業(yè)中已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用。很多企業(yè)得益于CATIA軟件的應(yīng)用，實現(xiàn)了飛機設(shè)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(chǎn)品的風(fēng)格和外形設(shè)計、機械設(shè)計、設(shè)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(xué)科聯(lián)合建模領(lǐng)域，當(dāng)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(lǐng)域的聯(lián)合仿真。另外FMI標(biāo)準(zhǔn)的提出，也為多學(xué)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(lǐng)域，Dymola和SimulationX是其中的佼佼者。Dymola是法國Dassault Systemes公司的多學(xué)科系統(tǒng)建模仿真工具，廣泛應(yīng)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(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用工具，能分析評價技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件的相互作用，并擁有強大標(biāo)準(zhǔn)元件庫，這些元件庫包括氣動力學(xué)、熱力學(xué)、電子學(xué)、三維多體系統(tǒng)、一維力學(xué)、動力傳動系統(tǒng)、液力學(xué)、磁學(xué)和控制。

MBSE作為未來飛機機電系統(tǒng)綜合設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，是未來飛機設(shè)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(shè)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(xué)科之間的聯(lián)系、提高設(shè)計的準(zhǔn)確性、真正實現(xiàn)機電系統(tǒng)的綜合設(shè)計。同時，它也是諸如數(shù)字孿生等新興技術(shù)的重要基礎(chǔ)，開發(fā)自主可控的MBSE設(shè)計平臺，是未來航空裝備及其他復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計能力的重要保障。

參考文獻

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