MBSE:Model Based System Engineering,基于模型的系统工程。

MBSE 是建模方法在系统工程中的形式化应用,强调以模型为核心,支持在系统全生命周期内开展需求、设计、分析、验证和确认相关的活动。MBSE 是基于文档的传统系统工程工作模式的演进,其以多视角的系统模型为桥梁,将跨学科/领域的模型关联起来,实现跨学科/领域的模型追溯,从而驱动大型复杂系统生命周期内各阶段的工程活动,最终实现以模型驱动的方法来采集、捕获和提炼数据、信息和知识。下面是数字化建设经常涉及到的术语:

  • 数字化:是指将传统文档化的模拟量数据进行数字量体系转变的过程,其包括数字化数据和数字化业务。数字化业务是依托数字量体系数据为基础的业务流程。
  • 数字化转型:是指利用数字化技术推动企业组织转变业务模式、组织架构、企业文化等的变革措施。数字化转型通常是企业战略层次的,以推动企业实现模式创新,谋求带来新的发展机遇。
  • MBD:Model Based Definition,基于模型的定义,是指以三维模型为核心的产品设计方法,其强调将产品相关的功能、特性、工艺、材料等信息在模型上进行统一数字化定义,并以模型为核心传递给下游工艺、生产、试验。
  • DT:Digital Twin,数字孪生。是充分利用物理模型、实时及历史运行数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟空间中完成映射,从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。
  • DMU:Digital Mock-up,数字样机。通常指产品的结构详细设计三维模型,用于干涉检查、运动仿真等。
  • DFx:Design for X,面向多用途的设计,包括:面向装配的设计 DFA,面向制造的设计 DFM,面向可靠性的设计 DFR,面向可测试性的设计 DFT,面向环保的设计 DFE,面向可保障性的设计 DFS 等。
  • BOM:Bill of Material,物料清单,原来主要是产品的物料配套表。在当前,通常是指以物料件号为核心的产品数据组织结构化树。
  • xBOM:Multiple BOM,多 BOM,是指产品全生命周期过程中的多个BOM,主要包括设计 EBOM、工艺 PBOM、制造 MBOM、实作 BBOM、试验TBOM 等。
  • 技术状态管理:又称构型管理(航空行业)、配置管理(汽车及高科技行业),是一个运用相应的流程、资源和控制方法的技术和管理过程,用于建立和维护产品的性能、功能和物理属性与其需求、设计和运维信息在产品全生命周期中的一致性。
  • 元数据:是数据的数据,以对象化建模的方法,实现对数据的定义。
  • 主数据:是数据的共性数据,支持所有业务对主数据的规范化引用,包括标准件、材料、元器件、工艺装备、刀量具、技术标准、供应商等。
  • 工业互联网架构:是指工业互联网领域的应用技术架构,分为 IaaS 层(基础设施层)、PaaS 层(平台层)、SaaS 层(APP 应用层)。该架构支持未来的柔性扩展和云端部署。
  • 自主可控:这里是指自主可控的数字化能力体系建设。

MBSE是基于模型的系统工程,作为未来工业研发数字化的重要发展方向之一,它需要将被研究对象进行模型化和数字化,在可预见的未来几年,随着行业应用需求的增强,将会有越来越多的技术人员投入MBSE方向。这些技术人员 的来源,要么是原本各研发岗位上的工程师,通过学习这方面的技术应用到研发工作中;或者是应届毕业生或 其他技术方向从业者转向MBSE领域。

不管未来这些技术人员来自哪个方向,在最初接触MBSE这一概念的时候,都不可避免的要了解这一领域方 方面面的概念和知识,来实现“入门”。

1 .什么是MBSE

基于模型的系统工程(MBSE)是相对于传统基于文档的系统设计而言的,传统设计方式中,系统方案设计阶段多数通过撰写方案设计文档来对系统迸行定义,如下图所示:

MBSE(基于模型的系统工程)=用数字化建模代替写文档进行系统方案设计,把设计文档中描述系统结构、 功能、性能、规格需求的名词、动词、形容词、参数全部转化为数字化模型表达。

按照基于模型的系统工程MBSE要求,基于数字化并行协同设计仿真方法,通过建立发动机产品虚拟样机,将不同工程领域的开发模型结合在一起,研发三维多物理场耦合仿真求解器,实现结构/流动/热耦合仿真,从外形构造、功能行为、产品性能上模拟真实发动机产品。通过集成发动机各研发领域设计分析工具,基于高性能计算环境,推进正向设计研发。通过过程管理及产品数据管理,实现分布、并行、协同的研发设计模式。实现多专业/多学科协同集成研发,并实现知识的统一管理和有效共享,可大幅提高设计效率。

总结提炼积累的发动机研制经验,自主设计发动机综合设计仿真框架软件,集成了多种设计仿真工具,实现多学科耦合仿真,并逐步拓展到基于BS架构的设计仿真模式,依托网络技术,满足多用户的协同设计需求。

以下例子可帮助直观理解如何从文档转换到数字化模型:

1)名词(描述系统结构)

基于文本的设计:

“该系统由发动机、通信系统、控制系统、生命保障系统等子系统构成”

MBSE中的数字化模型表达:

2)动词(描述系统行为)

基于文本的设计:

“系统的启动过程为:首先启动发动机,然后依次检查控制系统、生命保障系统、通信系统状态,如一切正常,则进入工作状态;如发现异常,则由操作人员进行故障排查。”
MBSE中的数字化模型表达:

3)参数(对系统规格、系统性能等的定量描述)

基于文本的系统设计:

“需求A:系统总重量不能超过100kg。”

MBSE中的数字化模型表达:

4)形容词(需要被量化)

形容词是文档中的特殊产物,在模型中不存在对应内容。

原因在于形容词是模糊描述,无法明确表达,也意味着无法准确验证。因此,理论上,在系统设计和需求 规格描述中,不应该使用形容词。

2.为什么要做MBSE

1)当前的挑战

在当前航空、航天、汽车等行业,对工业产品易用性、舒适性、安全性等方面要求的提髙,导致当前工业 产品电气化、智能化程度越来越高,产品复杂度的量级不断跃升。

基于文本的系统设计方式存在天然局限,导致其越来越难以应对当前的复杂产品设计挑战,比如:

  • 基于自然语言描述的设计文档一致性差,沟通效率低且容易出现歧义;
  • 自然语言容易引入形容词等模糊描述,很难保证准确性;
  • 文本描述的设计元素之间无法实现追溯分析,当出现设计变更时很难对变更影响进行准确评估;
  • 基于文本的设计方案无法迸行前期仿真验证;
  • 设计方案无法与详细设计阶段的数字化模型(如CAD)关联…。

而MBSE技术的出现为应对这些问题提供了有效的应対手段。

2) MBSE带来的价值

一项新技术最终的价值体现,一般有:

  • 节省成本,省钱
  • 提高效率,省时间
  • 保证产品质量,提高产品竞争力
  • 产品质量提升→产品问题减少→研发周期&运维成本降低→省钱&省时间

基于上述几个角度,我们分别从几个系统设计活动-需求分析&验证、系统设计、系统验证,来具体分析 MBSE到底可以为企业带来哪些价值:

(红色代表文本无法实现而MBSE能够实现的功能,蓝色代表MBSE相对文本的优势功能)

3.怎么做MBSE示例

MBSE是系统设计工作通过数字化设计手段的实现,因此在工作流程上与传统系统工程并无太大差异,仍然 分为需求分析、系统设计、系统验证、需求确认四个步骤。

具体实现方式案例如下:

1)需求分析

实现需求条目化分类,并对特殊需求(性能需求)进行量化描述:

  • 扩展的要求
  • 业务需求
  • 可用性要求
  • 功能性需求
  • 接口需求
  • 性能需求
  • 生理需求
  • 设计约束

需求类型示例

需求量化描述

2)系统设计

依照特定的系统设计逻辑方法,完成系统功能、结构设计,以及参数化表征,并将设计内容与需求进行关联,确保追溯关系完整。

系统设计

系统设计与需求的关联追溯

3)系统验证

基于数字化系统设计模型进行系统仿真,根据设计需求进行系统验证工作

4)需求确认

将设计参数值与量化的需求约束进行验证。

需求确认

4.掌握MBSE需要学习哪些内容

MBSE的三大支撑:方法论、系统设计语言、系统建模工具。

1)MBSE方法论

MBE方法论是设计师进行系统设计活动的指南,不同行业、不同产品在实际产品研发方面都有其特殊的地方,因此在方法论方面会有不同的选择。

以下提供了当前MBSE方法论方面能够查找到的部分公开资料,可作为企业在实践MBSE项目时的参考。

企业在实际项目中选择哪一种方法论、对方法论做哪些特定的裁剪,需要基于企业当前研发流程的实际需求来分析和确定,而不能直接照搬某个“理论模型”。

关于MBSE方法论,2O08年有相关研究汇总了当时的相关理论-“Survey of Model-BasedSystems Engineering(MBSE)Methodologies’”,报告中涵盖了以下6类不同的MBSE方法论:

  • 面向对象系统工程方法(OOSEM)
  • IBM Rational Telelogic Harmony-SE
  • IBM Rational系统工程统一过程(RUP-SE)
  • 基于Vitech模型的系统工程(MBSE)方法
  • JPL状态分析(SA)
  • 多里对象过程方法论(OPM)

在此之后,作为补充,http://www.omgwiki.org/MBSE中的“Methodology and Metrics”文章里又增加了几类MBSE方法论的介绍,包含:

Weilkiens Systems Modeling Process (SYSMOD)
Fernandez Process Pipelines in 00 Architectures (PPOOA)
An Ontology for State Analysis:Formalizing the Mapping to SysML
ISO-15288,O0SEM and Model-Based Submarine Design
Alstom ASAP Methodology
Pattern-Based Systems Engineering (PBSE)
Arcadia,a model-basedengineering method

以上这些仅仅为BE方法论的部分内容,在此之外,仍有一些公司或研究者针对特定应用场景提出了自己的方法论。比如,当前在国内工程界应用广泛的MagicDraw.工具,其母公司NoMagic(现被达索析统公司收购)也独立提出自己的MagicGrid方法论。

2)系统设计语言

系统设计语言是描述系统设计的标准”语法”,当前MBSE领域主流的系统设计语言是OMG维护和发布的 SysML – System Modeling Language,该语言基于UML发展而来,并专门针对系统设计领域特点逬行了扩展。

(SysML虽为主流MBSE建模语言,但仍有部分软件工具通过非SysML语言进行模型描述,此处不做展开。)

SysML是一种图形化设计语言,共包含9类图,如下所示:

9类图分别用来描述系统设计过程中的需求、系统结构、系统行为和系统参数。

3)系统建模工具

目前国内工程领域主要的MBSE工具为NoMagic(达索)MagicDraw和IBM Rhapsody,其他如Sparx Systems 的Enterprise Architecture,达索CATIA RFLR Siemens PLM, ANSYS Scade等也有部分应用。

更多MBSE建模工具可参考:

https://mbse4u.com/sysml-tools

https://mbseworks.com/mbse-tools

MBSE建模工具的选择需要考虑因素过多,需要根据不同企业具体情况具体分析。

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