基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實(shí)踐 課件 1 MBSE教材講義 第一章 引論

立足航天、面向工業(yè)、服務(wù)行業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程及MWORKS實(shí)踐聶蘭順教授2024年11月08日立足航天、面向工業(yè)、服務(wù)行業(yè)引

論聶蘭順教授2024年11月08日復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)系統(tǒng)可以從系統(tǒng)規(guī)模和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度兩個(gè)角度進(jìn)行分類：從系統(tǒng)規(guī)模角度，可以分為小系統(tǒng)、大系統(tǒng)、巨系統(tǒng)；從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度角度，可以分為簡(jiǎn)單系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)。根據(jù)這種界定方式，系統(tǒng)工程的關(guān)注對(duì)象是復(fù)雜大系統(tǒng)和復(fù)雜巨系統(tǒng)。從專業(yè)構(gòu)成角度看，復(fù)雜裝備通常包含總體結(jié)構(gòu)、推進(jìn)系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、能源系統(tǒng)、環(huán)熱控系統(tǒng)等多個(gè)分系統(tǒng)，多個(gè)分系統(tǒng)協(xié)同工作，共同完成飛行、探測(cè)、作戰(zhàn)、防御等任務(wù)，不同分系統(tǒng)間會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的功能耦合、交疊甚至沖突傳統(tǒng)系統(tǒng)研發(fā)主要采用“各系統(tǒng)基于文檔分解研發(fā)任務(wù)→各專業(yè)孤立研發(fā)→基于實(shí)物試驗(yàn)開展實(shí)物迭代試錯(cuò)”模式，這種研發(fā)模式的研發(fā)周期長(zhǎng)、成本高，更重要的是難以適應(yīng)復(fù)雜裝備在性能、效率和質(zhì)量方面的高要求八大系統(tǒng)、大量分系統(tǒng)、數(shù)百萬個(gè)零件，結(jié)構(gòu)、力學(xué)、流體、動(dòng)力、通信、軟件、電子多專業(yè)協(xié)同成千上萬工程師協(xié)作，數(shù)千供應(yīng)商配合波音公司員工總數(shù)超過17萬，超過14萬人擁有大學(xué)以上學(xué)歷中航工業(yè)集團(tuán)下轄100余家成員單位、24家上市公司，員工逾45萬人幾十米長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)件加工精度達(dá)到微米級(jí)上千℃高溫、數(shù)十噸、千倍大氣壓載荷下高超音速飛行任務(wù)論證詳細(xì)設(shè)計(jì)測(cè)試試驗(yàn)運(yùn)行維護(hù)概念設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)收放作動(dòng)器轉(zhuǎn)彎作動(dòng)器減震器起落架伺服控制器狀態(tài)監(jiān)控余度管理起落架伺服作動(dòng)系統(tǒng)輔助飛控伺服作動(dòng)系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)伺服作動(dòng)系統(tǒng)喉道控制導(dǎo)葉片控制位置傳感器尾噴管控制狀態(tài)監(jiān)控余度管理主飛控伺服作動(dòng)系統(tǒng)方向舵作動(dòng)器副翼作動(dòng)器升降舵作動(dòng)器減速板作動(dòng)器指令傳感器主操縱控制器遠(yuǎn)程控制單元安定面作動(dòng)器擾流板作動(dòng)器狀態(tài)監(jiān)控襟副翼作動(dòng)器艙門作動(dòng)器角度傳感器輔助操縱控制器狀態(tài)監(jiān)控余度管理復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)典型復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)航天航空能源船舶車輛Poweredorks1工業(yè)系統(tǒng)高復(fù)雜性高性能要求高可靠性多系統(tǒng)交聯(lián)多層次結(jié)構(gòu)多學(xué)科耦合多團(tuán)隊(duì)協(xié)作極端任務(wù)環(huán)境極致性能要求耦合機(jī)理復(fù)雜技術(shù)驗(yàn)證困難運(yùn)行環(huán)境多樣安全性可靠性設(shè)計(jì)難度大規(guī)范性要求高復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)2007年美國(guó)總統(tǒng)科技顧問委員會(huì)（PCAST）在報(bào)告中將CPS列為聯(lián)邦研究投入的最優(yōu)先領(lǐng)域之一，德國(guó)于2012年10月制定了《未來項(xiàng)目“工業(yè)4.0”落實(shí)建議》，指出CPS是工業(yè)4.0的核心，我國(guó)2010年在《國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃》和《國(guó)家重大科學(xué)研究計(jì)劃》中也明確了CPS研究的重要性。綜合來看，新一代復(fù)雜系統(tǒng)及其研制需要關(guān)注以下趨勢(shì)：系統(tǒng)形態(tài)由“復(fù)雜系統(tǒng)”向“系統(tǒng)的系統(tǒng)”延伸，多系統(tǒng)協(xié)同將創(chuàng)造更多的價(jià)值；“軟件定義”是工業(yè)產(chǎn)品/復(fù)雜裝備/工程系統(tǒng)的未來，而數(shù)字化研發(fā)是“軟件定義”的基石；基于模型的設(shè)計(jì)（ModelBasedDesign）是CPS時(shí)代的技術(shù)特征和必然要求；統(tǒng)一的模型規(guī)范是跨學(xué)科、跨領(lǐng)域集成的基礎(chǔ)，Modelica、SysML等標(biāo)準(zhǔn)是未來重要的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。復(fù)雜系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)INCOSE2035愿景中指出，復(fù)雜系統(tǒng)從原始的機(jī)電系統(tǒng)、電氣&電子系統(tǒng)發(fā)展到軟件化、網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，到未來將進(jìn)一步過渡到數(shù)據(jù)與智能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。“系統(tǒng)工程是進(jìn)行技術(shù)決策時(shí)查看系統(tǒng)“全貌”的途徑，是在確定的運(yùn)行使用環(huán)境下和規(guī)劃的系統(tǒng)壽命周期中，在費(fèi)用、進(jìn)度和其他約束條件下，達(dá)到利益相關(guān)者所提出的在功能、物理和使用方面性能需求的途徑。它還是能夠支持對(duì)系統(tǒng)壽命周期費(fèi)用進(jìn)行控制的方法論。簡(jiǎn)而言之，系統(tǒng)工程是一種有邏輯的思維方法”NASA將“系統(tǒng)工程”定義為一種用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、技術(shù)管理、運(yùn)行使用和退役處置的有條理的、多學(xué)科的方法?；谖臋n的系統(tǒng)工程方法已不能滿足工程應(yīng)用需求：易產(chǎn)生理解歧義，信息一致性難以維護(hù)，可追蹤性難以保障；子系統(tǒng)間隔離的設(shè)計(jì)難以開展多學(xué)科全系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證；與技術(shù)系統(tǒng)融合度低，倚重管理。系統(tǒng)工程與基于模型的系統(tǒng)工程MBSE是一種通過建模支持系統(tǒng)需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)的形式化手段，可從概念設(shè)計(jì)階段開始，一直持續(xù)到開發(fā)及以后的后期生命周期階段。

Theformalizedapplicationofmodelingtosupportsystemrequirements,design,analysis,verificationandvalidationactivitiesbeginningintheconceptualdesignphaseandcontinuingthroughoutdevelopmentandlaterlifecyclephases.(INCOSE2007)《系統(tǒng)工程愿景2035》中還指出，到2035年，將會(huì)有統(tǒng)一、集成的MBSE系統(tǒng)建模與仿真（SystemModelandSimulation，SMS）框架問世，能夠與數(shù)字孿生技術(shù)結(jié)合，并完全集成到企業(yè)級(jí)數(shù)字線索基礎(chǔ)軟件，能夠?qū)崿F(xiàn)多領(lǐng)域模型集成，支撐“從搖籃到墳?zāi)埂钡娜芷谔摂M探索，能夠靈活高效地捕捉、建模、模擬和理解用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)敏捷的持續(xù)集成、構(gòu)建、驗(yàn)證和周期性發(fā)布。系統(tǒng)工程與基于模型的系統(tǒng)工程MBSE概念與內(nèi)涵伴隨系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，傳統(tǒng)基于文檔的溝通、協(xié)同方式，已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)規(guī)模的急劇擴(kuò)展需求INCOSE在《MBSE方法學(xué)綜述》中給出解釋，MBSE方法學(xué)包括相關(guān)過程、方法和工具的集合，以支持基于模型或模型驅(qū)動(dòng)環(huán)境下的系統(tǒng)工程MBSE是一種系統(tǒng)工程方法，它利用模型作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)過程中的主要信息源MBSE的目的是使用模型來改進(jìn)系統(tǒng)工程的效率、效果和可靠性，這些模型代表了系統(tǒng)的各個(gè)方面，包括其結(jié)構(gòu)、行為和要求MBSE概念與內(nèi)涵MBSE概念與內(nèi)涵數(shù)字

主線

虛擬集成虛擬實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)建模架構(gòu)建模虛擬驗(yàn)證虛擬確認(rèn)詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)需求初步設(shè)計(jì)研制要求產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成產(chǎn)品測(cè)試產(chǎn)品驗(yàn)證交付確認(rèn)服務(wù)維護(hù)數(shù)字孿生虛擬運(yùn)行虛擬維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證系統(tǒng)需求研制要求需求工程需求建模數(shù)字世界物理空間模型虛擬設(shè)計(jì)物理設(shè)計(jì)交付建模仿真MBSE概念與內(nèi)涵準(zhǔn)：通過數(shù)字化手段提升型號(hào)研制質(zhì)量，同時(shí)通過實(shí)物提高數(shù)字化模型的可信度全：在各研制階段充分全面考慮系統(tǒng)各專業(yè)耦合特性，實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)與局部最優(yōu)的平衡快：減少設(shè)計(jì)迭代次數(shù)，提升研制效率，縮短研制周期，降低研制成本早：在方案論證階段與系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段提早發(fā)現(xiàn)并解決更多問題全系統(tǒng)統(tǒng)一建模：理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突?、知識(shí)化全生命周期應(yīng)用：全范圍、全周期、全要素系統(tǒng)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源：模型化定義，全局映射管理設(shè)計(jì)驗(yàn)證一體化：需求、設(shè)計(jì)、仿真模型互操作早快全準(zhǔn)MBSE方法最顯著的優(yōu)點(diǎn)與作用（1）便于交流和傳播（2）數(shù)據(jù)容易獲取（3）提高設(shè)計(jì)質(zhì)量（4）提高生產(chǎn)率（5）降低風(fēng)險(xiǎn)MBSE典型應(yīng)用場(chǎng)景系統(tǒng)多層級(jí)總體設(shè)計(jì)多專業(yè)綜合集成驗(yàn)證虛實(shí)結(jié)合系統(tǒng)測(cè)試多專業(yè)崗位協(xié)同開發(fā)MBSE典型應(yīng)用場(chǎng)景一種典型的基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)的技術(shù)框架如圖所示2010201520202025新興MBSE標(biāo)準(zhǔn)分布式、安全的多領(lǐng)域模型庫(kù)成熟的MBSE方法、指標(biāo)、集成系統(tǒng)/HW/SW模型仿真、分析和可視化的集成架構(gòu)模型定義MBSE理論、主體、形式跨專業(yè)、成熟的統(tǒng)一模型工業(yè)化的MBSE/完整的基于模型的需求獲取良好定義的MBSE/傳統(tǒng)的MB混合的需求獲取特的MBSE/基于文檔-傳統(tǒng)的需求獲取理解大圖——全領(lǐng)域集成建模的能力相近領(lǐng)域建模的認(rèn)知單一領(lǐng)域的建模實(shí)踐基于模型工程/商業(yè)實(shí)踐成熟度MBSE能力成熟度INCOSE在2007年制定的MBSE研究發(fā)展路線圖MBSE國(guó)內(nèi)外實(shí)踐情況洛克希德馬丁公司面向全生命周期多階段的數(shù)字模型應(yīng)用，提出了數(shù)字織錦概念，實(shí)現(xiàn)多階段模型和數(shù)據(jù)映射集成數(shù)字織錦技術(shù)是MBE技術(shù)的擴(kuò)展延申，通過數(shù)字織錦技術(shù)支持模型技術(shù)與數(shù)據(jù)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)多層級(jí)、多專業(yè)、多階段模型之間的關(guān)聯(lián)集成，可以支撐MBSE、數(shù)字孿生等全方位的數(shù)字化應(yīng)用MBSE國(guó)內(nèi)外實(shí)踐情況跨專業(yè)、跨階段系統(tǒng)模型具有明顯的差異性，多源異構(gòu)模型之間需要具有交互操作能力通用的語言和方法難以高效、完整地描述出系統(tǒng)組成特點(diǎn)，需要將模型與業(yè)務(wù)進(jìn)行更深入結(jié)合系統(tǒng)架構(gòu)模型與專業(yè)模型之間沒辦法實(shí)現(xiàn)真正的深度融合，影響了系統(tǒng)整體的綜合集成迭代驗(yàn)證模型是MBSE應(yīng)用實(shí)踐中的核心資源，是MBSE數(shù)字化研制過程能力、質(zhì)量、效率的基本保證互操作性