基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實(shí)踐 課件 2 MBSE教材講義 第二章 MBSE語言、工具、方法論

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)MBSE語言、工具和方法聶蘭順教授2024年11月08日SysML(SystemModelingLanguage，系統(tǒng)建模語言)，是目前MBSE方法中應(yīng)用最為廣泛的主流系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)建模語言，支持對復(fù)雜系統(tǒng)開展規(guī)范化分析、設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和確認(rèn)工作。多領(lǐng)域物理統(tǒng)一建模語言Modelica從原理上統(tǒng)一了之前的各種多領(lǐng)域建模機(jī)制，其已成為復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模通用語言。SysML提供基礎(chǔ)建模元素，涵蓋一套面向任何復(fù)雜系統(tǒng)的基礎(chǔ)建?？蚣?，抽象層級比較高。同時(shí)，它具備擴(kuò)展功能。目前二者局限性：在設(shè)計(jì)模型與仿真模型之間的互操作性、統(tǒng)一描述與轉(zhuǎn)換等功能上仍有不足；系統(tǒng)設(shè)計(jì)與虛擬驗(yàn)證之間尚未貫通，不能滿足一體化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、全階段模型一致性要求等；無法支持CPS的時(shí)序任務(wù)分析與設(shè)計(jì)、信息流專業(yè)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、CPS分布式架構(gòu)的設(shè)計(jì)與復(fù)用、SOA（面向服務(wù)的架構(gòu)）軟件建模、通用總線協(xié)議描述與分析等專用需求。因此適用于CPS的領(lǐng)域?qū)Ｓ梅椒?、工具作補(bǔ)充滿足CPS一體化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的流程、規(guī)范、工具需求。MBSE語言概述SysMLSysML提供了9張視圖，從不同的維度描述系統(tǒng)，9張視圖從需求、行為、結(jié)構(gòu)和參數(shù)描述同一個系統(tǒng)。需求圖（RequirementDiagram）：用來定義和跟蹤系統(tǒng)的功能與非功能性要求，以及它們與其他模型元素的關(guān)系；用例圖（UseCaseDiagram）：用來描述系統(tǒng)的用例，即表示系統(tǒng)的功能、參與者、用例和關(guān)系的圖形符號，以及它們的范圍和目標(biāo)；塊定義圖（BlockDefinitionDiagram，BDD）：用來描述系統(tǒng)中的塊，即表示系統(tǒng)的部件、模塊、接口或約束等的抽象概念，以及它們的屬性、操作和關(guān)聯(lián)；內(nèi)部塊圖（InternalBlockDiagram，IBD）：用來描述塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即表示塊的端口、組件、連接器、流程和分配等的圖形符號；參數(shù)圖（ParametricDiagram）：用來描述塊的參數(shù)約束，即表示塊的參數(shù)、方程式、值和綁定等的圖形符號；包圖（PackageDiagram）：用來描述系統(tǒng)中的包，即系統(tǒng)的組織單元，以及它們的依賴和嵌套關(guān)系；活動圖（ActivityDiagram）：用來描述系統(tǒng)的活動，即表示系統(tǒng)的輸入、輸出、控制和數(shù)據(jù)流等的圖形符號，以及它們的條件和并發(fā)性；序列圖（SequenceDiagram）：用來描述系統(tǒng)的交互，即表示系統(tǒng)中的對象、角色、消息和生命線等的圖形符號，以及它們的時(shí)間順序和條件；狀態(tài)機(jī)圖（StateMachineDiagram）：用來描述系統(tǒng)的狀態(tài)，即表示系統(tǒng)中的對象、事件、狀態(tài)、轉(zhuǎn)換和動作等的圖形符號，以及它們的觸發(fā)條件和效果。MBSE語言概述用例圖SysML視圖需求圖行為圖參數(shù)圖結(jié)構(gòu)圖活動圖狀態(tài)機(jī)圖序列圖塊定義圖內(nèi)部塊圖MBSE語言概述包圖其他圖形通用建模元素表格、矩陣SysML模型的基本元素ModelicaModelica技術(shù)是代表性的數(shù)字化設(shè)計(jì)與驗(yàn)證技術(shù)，已經(jīng)成為世界公認(rèn)的MBSE和CPS的核心關(guān)鍵支撐技術(shù)：系統(tǒng)多領(lǐng)域統(tǒng)一建模仿真。Modelica是一種開放、面向?qū)ο蟮囊苑匠虨榛A(chǔ)的語言，適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)物理系統(tǒng)建模，包括：機(jī)械、電子、電力、液壓、熱、控制及面向過程的子系統(tǒng)模型；用數(shù)學(xué)方程描述不同領(lǐng)域的物理規(guī)律和現(xiàn)象，基于語言內(nèi)在的組件連接機(jī)制實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)成和多領(lǐng)域集成，通過求解微分或代數(shù)方程實(shí)現(xiàn)仿真運(yùn)行；Modelica的最大特點(diǎn)是支持物理建模。OpenModelingLanguageObjectOrientedMultiEngineeringAcausalModeling28MBSE語言概述Modelica標(biāo)準(zhǔn)庫簡表28名稱描述UsersGuideModelica（標(biāo)準(zhǔn)）庫的使用指南Blocks基本輸入輸出控制框圖模型庫（連續(xù)、離散、邏輯、表格）Electrical電類模型庫（模電、數(shù)電、電機(jī)等）Math數(shù)學(xué)函數(shù)庫（如sin、cos）以及矩陣和向量的運(yùn)算函數(shù)庫Mechanics一維和三維機(jī)械模型庫（多體、平移、轉(zhuǎn)動等）Media媒介性質(zhì)模型庫Thermal模擬熱交換和簡單管路熱流的熱力學(xué)組件模型庫Utilities用于編寫腳本等的工具函數(shù)庫（針對文件、流、字符串、系統(tǒng)等的一些操作）Constants數(shù)學(xué)和自然界中的一些常量或符號（如p、e、R、S等）Icons圖標(biāo)庫SIunits基于ISO標(biāo)準(zhǔn)的國際單位制StateGraph用于離散和響應(yīng)系統(tǒng)建模的層次狀態(tài)機(jī)模型庫MBSE語言概述28

連接器：描述組件與其他組件的接口變量

行為描述：描述模型物理行為的方程或算法MBSE工具概述281．建?；顒樱?）工程初始化（2）各種建模元素的創(chuàng)建（3）各種建模元素的修改（4）各種建模元素的刪除（5）各種建模元素的屬性定義（6）各種建模元素間的關(guān)聯(lián)（7）各種分析矩陣的定義和生成（8）自頂而下的分解、分配（9）自底而上的綜合、構(gòu)建（10）內(nèi)部仿真模型定義（11）模型的編譯、仿真（12）可視化分析與檢查（13）報(bào)告生成（14）參數(shù)方程定義（15）備選方案定義（16）評估與決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模軟件MBSE工具概述282.數(shù)據(jù)組織（1）面向圖的數(shù)據(jù)組織（2）面向階段的數(shù)據(jù)組織（3）面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)組織（4）面向上下游的數(shù)據(jù)組織（5）面向評審的數(shù)據(jù)組織（6）面向迭代的數(shù)據(jù)組織（7）可以自定義項(xiàng)目結(jié)構(gòu)樹3.關(guān)聯(lián)引用（1）模型元素調(diào)用（2）外部模型調(diào)用（3）外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入（4）模板、概要文檔的定義與引用（5）自動執(zhí)行（6）驗(yàn)證策略定義4.分析運(yùn)行（1）參數(shù)約束仿真（2）指標(biāo)分配仿真（3）行為黑/白盒仿真（4）效能評估模型仿真（5）外部專業(yè)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模軟件MBSE工具概述28系統(tǒng)仿真建模軟件時(shí)間事件備注1997年9月Modelica規(guī)范發(fā)布

2006年9月達(dá)索公司收購DynasimAB公司的Dymola，采用Modelica作為CATIAV6核心標(biāo)志著Modelica正式為工業(yè)界所接受2007年6月LMS公司收購AMESim，支持Modelica

2007年10月歐洲EUROSYSLIB計(jì)劃啟動，旨在強(qiáng)化歐洲在嵌入式系統(tǒng)建模與仿真方面的領(lǐng)導(dǎo)地位

2008年2月MathWorks公司在MATLAB中推出類似于Modelica的SimScape模塊，支持多領(lǐng)域統(tǒng)一建模世界三大數(shù)學(xué)軟件之一2008年12月Maplesoft公司發(fā)布基于Modelica的工程仿真軟件MapleSim世界三大數(shù)學(xué)軟件之一2011年3月WolframResearch公司收購MathModelica，其后發(fā)布支持Modelica的SystemModeler世界三大數(shù)學(xué)軟件之一2012年11月西門子公司收購LMS公司，其包含的AMESim軟件支持Modelica

2013年10月ESI集團(tuán)收購CyDesignLabs，支持基于Modelica的系統(tǒng)建模

2014年9月ANSYS與Modelon合作支持Modelica，提供一維系統(tǒng)模型與三維有限元模型集成

2015年4月達(dá)索公司收購Modelon公司，進(jìn)一步加強(qiáng)對Modelica的支持，提供系統(tǒng)與三維模型集成

2016年1月ESI集團(tuán)收購ITI公司，進(jìn)一步強(qiáng)化其系統(tǒng)與三維模型集成的戰(zhàn)略MWORKS平臺簡介緊貼業(yè)務(wù)，擴(kuò)展方便，定制適用于不同專業(yè)的設(shè)計(jì)工具領(lǐng)域知識模型復(fù)用支持多層級模板、模型庫的積累與復(fù)用，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識的高效應(yīng)用設(shè)計(jì)仿真模型轉(zhuǎn)換開放定制能力內(nèi)置主流設(shè)計(jì)流程的功能模板，方便設(shè)計(jì)師更快理解掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型與系統(tǒng)仿真模型快速轉(zhuǎn)換，打通設(shè)計(jì)驗(yàn)證閉環(huán)內(nèi)置設(shè)計(jì)流程MBSE工具概述MWORKS平臺簡介MWorks.Sysbuilder是面向復(fù)雜工程系統(tǒng)，基于模型的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)工具。以系統(tǒng)需求作為輸入，按照自頂向下的系統(tǒng)研制流程，以圖形化、結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο蠓绞?，覆蓋系統(tǒng)概念架構(gòu)、功能架構(gòu)和邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)過程，通過與MWorks.Sysplorer的緊密集成，支持在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域綜合分析和驗(yàn)證。2.用例詳細(xì)分析面向系統(tǒng)使命任務(wù)，針對典型任務(wù)場景，識別出任務(wù)曲線、環(huán)境要素、利益相關(guān)方等系統(tǒng)上下文信息，結(jié)合用例圖繪制任務(wù)場景，開發(fā)或者復(fù)用環(huán)境與外部系統(tǒng)動態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)任務(wù)場景的構(gòu)建與動靜態(tài)分析，與任務(wù)分解配合進(jìn)行迭代，形成數(shù)字化任務(wù)模型和量化的任務(wù)需求。3.需求用例關(guān)聯(lián)1.用例圖分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：任務(wù)分析MBSE工具概述根據(jù)系統(tǒng)任務(wù)，承接系統(tǒng)任務(wù)模型，采用活動圖、序列圖、狀態(tài)機(jī)圖等多種行為模型，對任務(wù)的行為邏輯進(jìn)行描述，開展黑/白盒等不同顆粒度的模型描述與細(xì)化，完成系統(tǒng)功能邏輯定義與分析，并形成系統(tǒng)功能需求。系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：行為分析MBSE工具概述以系統(tǒng)任務(wù)、需求和行為模型作為牽引，采用架構(gòu)設(shè)計(jì)類視圖，開展結(jié)構(gòu)分解定義接口設(shè)計(jì)、參數(shù)定義、功能分配等工作，支持系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。面向強(qiáng)協(xié)同環(huán)境，還能夠構(gòu)建多崗位網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同論證環(huán)境，將不同模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)分配給不同崗位人員，支持基于模型的網(wǎng)絡(luò)化并行協(xié)同設(shè)計(jì)與集成驗(yàn)證。系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：架構(gòu)設(shè)計(jì)MBSE工具概述以系統(tǒng)架構(gòu)模型為輸入，向下傳遞分系統(tǒng)研制需求，開展各專業(yè)或分系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作?？梢詮?fù)用各專業(yè)或者分系統(tǒng)的Modelica模型庫，進(jìn)行少量封裝開發(fā)，集成為專業(yè)或分系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)模塊，支持多種構(gòu)型方案的并行設(shè)計(jì)與指標(biāo)評估，從而提升專業(yè)或分系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、評估的可行性與效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：專業(yè)或分系統(tǒng)設(shè)計(jì)MBSE工具概述以系統(tǒng)架構(gòu)模型、專業(yè)或分系統(tǒng)方案等為輸入，進(jìn)行總體設(shè)計(jì)綜合，以網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同或離線提交的形式，將各專業(yè)或分系統(tǒng)模型提交給總體專業(yè)系統(tǒng)工程師進(jìn)行綜合集成，形成總體設(shè)計(jì)模型，并開展總體集成仿真驗(yàn)證。系統(tǒng)集成的輸出為系統(tǒng)總體方案。系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：系統(tǒng)集成MBSE工具概述將已有的系統(tǒng)總體方案模型轉(zhuǎn)換或者關(guān)聯(lián)到系統(tǒng)仿真模型，實(shí)現(xiàn)二者之間的參數(shù)傳遞，通過行為模型、架構(gòu)模型驅(qū)動仿真模型的快速編譯、求解，應(yīng)用仿真數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對技術(shù)需求、任務(wù)參數(shù)的仿真驗(yàn)證，根據(jù)仿真結(jié)果實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)總體方案的動態(tài)計(jì)算評估。系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：仿真驗(yàn)證MBSE工具概述系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：分析評估以系統(tǒng)總體方案為輸入，開展需求覆蓋性分析、需求追溯性分析、多方案比較分析等。需求覆蓋多方案比較分析通過對可靠性、成熟度、成本、質(zhì)量、尺寸等指標(biāo)對方案進(jìn)行綜合評價(jià)，并按照最終評分對方案進(jìn)行排序，輔助人工進(jìn)行優(yōu)選系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程：模型庫積累結(jié)合上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證過程，能夠?qū)崿F(xiàn)多專業(yè)、多層級的系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識積累，將任務(wù)、功能、結(jié)構(gòu)、機(jī)理等各類模型沉淀為可復(fù)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型庫，支持后續(xù)同類型號系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。MBSE工具概述MBSE方法概述MBSE方法采用形式化的建模手段MBSE技術(shù)體系通過模型化的任務(wù)分析、需求分解、架構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)驗(yàn)證手段，能夠支持復(fù)雜系統(tǒng)模塊化、集成化、多領(lǐng)域統(tǒng)一和多專業(yè)協(xié)同研發(fā)，滿足復(fù)雜系統(tǒng)基于模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證的通用業(yè)務(wù)活動要求OOSEM是INCOSE提出的一種MBSE方法MagicGrid方法是NoMagic公司（于2018年被達(dá)索公司收購）提出的一種基于SysML語言的MBSE方法，該方法以矩陣形式呈現(xiàn)了MBSE方法的各項(xiàng)建模活動HarmonySE（敏捷系統(tǒng)工程）方法是IBM公司提出的一種基于SysML的MBSE方法，其著眼于不同流程、不同模型之間的傳遞與演化關(guān)系，結(jié)合敏捷開發(fā)的思想，實(shí)現(xiàn)逐步擴(kuò)展的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與迭代MBSE方法概述MBSE方法概述MBSE應(yīng)用實(shí)踐關(guān)鍵問題共性問題：唯一真相源=唯一

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真相“唯一真相源”是復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期協(xié)同研制效率與質(zhì)量的促進(jìn)劑；系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模語言和系統(tǒng)仿真建模語言二者之間缺少互操作能力；“唯一”和“真相”尚未真正結(jié)合在一起，距離“唯一真相源”尚有較大差距；系統(tǒng)研發(fā)=系統(tǒng)設(shè)計(jì)+系統(tǒng)驗(yàn)證MBSE方法關(guān)注系統(tǒng)設(shè)計(jì)，符合系統(tǒng)工程師自頂向下分解的視角；在具體研發(fā)實(shí)踐過程中，更符合自底向上集成的驗(yàn)證需要；現(xiàn)有工具尚未實(shí)現(xiàn)系