基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實(shí)踐 課件 4 MBSE教材講義 第四章 設(shè)計(jì)仿真一體化的MBSE方法

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)設(shè)計(jì)與仿真一體化的新一代MBSE方法聶蘭順教授2024年11月08日設(shè)計(jì)與仿真一體化的MBSE技術(shù)體系緊貼業(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(shí)模型復(fù)用支持多層級(jí)模板、模型庫(kù)的積累與復(fù)用，實(shí)現(xiàn)領(lǐng)域知識(shí)的高效應(yīng)用設(shè)計(jì)仿真模型轉(zhuǎn)換開(kāi)放定制能力形成與裝備設(shè)計(jì)流程的平臺(tái)功能，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)設(shè)計(jì)流程集成設(shè)計(jì)與仿真一體化的MBSE技術(shù)體系將通用的MBSE方法、工具、模型等與具體業(yè)務(wù)相結(jié)合，構(gòu)建流程、模型、工具、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、團(tuán)隊(duì)相融合的MBSE技術(shù)體系，覆蓋全生命周期各階段活動(dòng)，提供統(tǒng)一的模型數(shù)據(jù)源、統(tǒng)一的數(shù)字化設(shè)計(jì)驗(yàn)證操作要求、統(tǒng)一的軟件工具平臺(tái)，支撐跨階段、跨層級(jí)、跨團(tuán)隊(duì)的協(xié)同論證、設(shè)計(jì)與運(yùn)營(yíng)流程是MBSE技術(shù)體系的核心模型為MBSE技術(shù)體系提供了基礎(chǔ)資源工具為MBSE全流程業(yè)務(wù)活動(dòng)提供平臺(tái)功能支撐標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為研制團(tuán)隊(duì)提供具體的工作指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)能力是全部研制能力的核心新一代MBSE方法的技術(shù)特點(diǎn)統(tǒng)一架構(gòu)按照系統(tǒng)架構(gòu)拆分為若干個(gè)可獨(dú)立執(zhí)行的業(yè)務(wù)組件，并將模型按照生命周期與版本修訂過(guò)程分別建立不同顆粒度的系統(tǒng)構(gòu)型與組件模型。通過(guò)構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)模型與建模仿真框架接口的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)驅(qū)動(dòng)的多層次、多顆粒度、多版本模型重構(gòu)，式支持系統(tǒng)模型的組裝定制和擴(kuò)展以面向?qū)ο蟮姆绞綐?gòu)建統(tǒng)一架構(gòu)，可以根據(jù)技術(shù)方案進(jìn)行靈活配置，以參數(shù)化的形式完成模型實(shí)例化，能夠根據(jù)模型庫(kù)索引信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)元模型庫(kù)、仿真模型庫(kù)進(jìn)行集成調(diào)用新一代MBSE方法的技術(shù)特點(diǎn)統(tǒng)一接口復(fù)雜系統(tǒng)模型具有層次特性，面向裝備系統(tǒng)不同研制階段，產(chǎn)生不同顆粒度模型，需要定義不同顆粒度的模型接口面向研制單位內(nèi)部的需求，提供流程接口和業(yè)務(wù)接口，流程接口為流程管理、技術(shù)狀態(tài)管理、模型數(shù)據(jù)管理等信息化系統(tǒng)提供了工具和模型訪問(wèn)接口，業(yè)務(wù)接口則為數(shù)字試驗(yàn)管理、故障仿真、健康狀態(tài)評(píng)估等具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景的仿真需求提供不同模型的訪問(wèn)接口通過(guò)面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)特性，構(gòu)建可配置的系統(tǒng)任務(wù)接口模型體系，支持不同視圖模型的調(diào)用；通過(guò)面向?qū)ο蟮某橄罄^承特性實(shí)現(xiàn)不同顆粒度接口模型的定義，定義多階段接口的持續(xù)細(xì)化路徑，支持使命、任務(wù)、需求、概念、架構(gòu)等不同階段模型的遞進(jìn)演化可以將通用設(shè)計(jì)接口要求轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)仿真專用的接口模型，對(duì)外提供參數(shù)化調(diào)用，并支持參數(shù)驅(qū)動(dòng)的接口類型、顆粒度、專業(yè)的自動(dòng)實(shí)例化生成新一代MBSE方法的技術(shù)特點(diǎn)統(tǒng)一模型霍爾三維結(jié)構(gòu)提出包含層級(jí)、流程、專業(yè)三個(gè)維度的三維模型體系框架模型體系按照復(fù)雜系統(tǒng)任務(wù)設(shè)計(jì)與仿真流程，可分為需求模型、功能模型、架構(gòu)模型及仿真模型4類，再細(xì)分為不同層級(jí)，每類模型按照專業(yè)又分為不同分系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)范目標(biāo)是規(guī)范描述多領(lǐng)域、多層級(jí)系統(tǒng)的不同模型視圖通過(guò)基礎(chǔ)語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)支持跨學(xué)科、跨項(xiàng)目和跨組織的溝通通過(guò)通用接口標(biāo)準(zhǔn)支持跨平臺(tái)工具之間的通信協(xié)同支持系統(tǒng)建?；蚣蓱?yīng)用的準(zhǔn)確性以及表達(dá)方式的一致性覆蓋特定領(lǐng)域，支撐模型的跨領(lǐng)域集成，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模型的集成、分析、規(guī)范、設(shè)計(jì)和驗(yàn)證MBSE方法的“三階段六過(guò)程”流程模型與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法相同，MBSE方法同樣要約定研制流程INCOSE提出的一種系統(tǒng)工程V形圖模型在MBSE應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中，需要將模型、工具與研制流程相匹配有大量的工程實(shí)踐致力于探索系統(tǒng)工程和專業(yè)工程的融合應(yīng)用參考各種復(fù)雜系統(tǒng)研制流程劃分方式，結(jié)合實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)積累，形成了各種復(fù)雜系統(tǒng)研制流程模型。根據(jù)這些模型的相似性，抽象出適合各類不同復(fù)雜系統(tǒng)研制需求的通用MBSE方法的流程模型MBSE方法的“三階段六過(guò)程”MBSE方法的“三階段六過(guò)程”某復(fù)雜系統(tǒng)研制的任務(wù)分解示例MBSE方法的“三階段六過(guò)程”定義使命任務(wù)定義系統(tǒng)概念分析資源約束識(shí)別系統(tǒng)需求分析系統(tǒng)需求第一階段：使命任務(wù)定義與需求分析圍繞系統(tǒng)的各種運(yùn)行目標(biāo)、市場(chǎng)目標(biāo)，識(shí)別出典型的任務(wù)場(chǎng)景，以用例圖的形式建立使命任務(wù)模型，描述系統(tǒng)上下文信息，定義利益相關(guān)方角色和任務(wù)場(chǎng)景用例，對(duì)任務(wù)用例進(jìn)行分解及分配，梳理形成數(shù)字化的任務(wù)模型和結(jié)構(gòu)化、可量化的任務(wù)要求。在每個(gè)任務(wù)場(chǎng)景中都需要考慮系統(tǒng)目標(biāo)、環(huán)境特點(diǎn)，且明確相關(guān)任務(wù)場(chǎng)景中的主要參與者，描述其關(guān)聯(lián)關(guān)系。MBSE方法的“三階段六過(guò)程”系統(tǒng)、產(chǎn)品功能需求多專業(yè)設(shè)計(jì)方案信息、控制以及機(jī)電熱多專業(yè)設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)整體架構(gòu)工程總體、系統(tǒng)功能、參數(shù)、接口的分配、關(guān)聯(lián)與映射多專業(yè)仿真模型信息、控制以及機(jī)電熱多專業(yè)仿真模型綜合驗(yàn)證將產(chǎn)品設(shè)計(jì)模型、仿真模型綜合為系統(tǒng)級(jí)詳細(xì)模型，開(kāi)展綜合驗(yàn)證第二階段：系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證系統(tǒng)概念架構(gòu)分解為各系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)規(guī)范的需求、接口、參數(shù)、行為、約束建模過(guò)程，由各專業(yè)團(tuán)隊(duì)并行開(kāi)展系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)工作，定義能源動(dòng)力、制導(dǎo)控制、機(jī)械傳動(dòng)、供配電、信息通信等物理方案與運(yùn)行邏輯，集成為系統(tǒng)整體模型，通過(guò)關(guān)聯(lián)追溯矩陣、參數(shù)圖、行為圖仿真等方式，從系統(tǒng)功能、運(yùn)行成本、技術(shù)可行性、可靠性、安全性等維度開(kāi)展可行性分析與驗(yàn)證，形成系統(tǒng)架構(gòu)方案。擴(kuò)展系統(tǒng)架構(gòu)視圖構(gòu)建接口模型譜系描述關(guān)聯(lián)追溯關(guān)系構(gòu)建分系統(tǒng)架構(gòu)視圖構(gòu)建可行性論證視圖MBSE方法的“三階段六過(guò)程”第三階段：運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估開(kāi)展系統(tǒng)物理原理、運(yùn)行機(jī)理的細(xì)化描述，擴(kuò)展其物理模型，描述其系統(tǒng)運(yùn)行邏輯過(guò)程或者協(xié)同運(yùn)行過(guò)程，根據(jù)任務(wù)場(chǎng)景中的用例，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行方案模型進(jìn)行重新配置，對(duì)各類系統(tǒng)需求進(jìn)行定性、定量的驗(yàn)證分析，開(kāi)展系統(tǒng)方案的綜合評(píng)估，支持多方案權(quán)衡，選取最合適的系統(tǒng)方案。構(gòu)建運(yùn)行方案仿真模型開(kāi)展多方案分析與權(quán)衡確定分系統(tǒng)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)與方法技術(shù)指標(biāo)綜合評(píng)估多領(lǐng)域統(tǒng)一模型體系按照MBSE流程要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、評(píng)估等需要以多領(lǐng)域統(tǒng)一模型為基礎(chǔ)，各層級(jí)、各團(tuán)隊(duì)之間的模型傳遞、共享也應(yīng)以模塊化模型為載體，需要覆蓋流程、層級(jí)、專業(yè)三個(gè)維度；“三階段六過(guò)程”的三維模型體系框架，為系統(tǒng)多階段、多任務(wù)、多層級(jí)協(xié)同的MBSE流程提供完整的數(shù)字化模型支持，保證跨專業(yè)、跨團(tuán)隊(duì)協(xié)同論證過(guò)程的模型一致性和可互操作性；在MBSE流程的執(zhí)行過(guò)程中，可以沿上述三個(gè)維度中的某一個(gè)對(duì)模型體系進(jìn)行展開(kāi)，將另外兩個(gè)維度的模型需求進(jìn)行歸納整理，形成多維度的模型庫(kù)。結(jié)合MBSE工具體系實(shí)現(xiàn)對(duì)多維度模型庫(kù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、共享、應(yīng)用，以此作為使命任務(wù)定義與需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證、運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估三個(gè)階段的統(tǒng)一模型架構(gòu)，覆蓋任務(wù)、系統(tǒng)、分系統(tǒng)和組件等多個(gè)模型層級(jí)，兼顧環(huán)境類模型，支持不同階段、不同層級(jí)的設(shè)計(jì)與分析工作。多領(lǐng)域統(tǒng)一模型體系在任務(wù)級(jí)，建立任務(wù)模型，定義任務(wù)執(zhí)行參數(shù)與剖面，有針對(duì)性地開(kāi)展分析與驗(yàn)證。建立日環(huán)境參數(shù)模型；在系統(tǒng)級(jí)，建立系統(tǒng)模型，描述系統(tǒng)的功能以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和接口，支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證；在分系統(tǒng)級(jí)建立分系統(tǒng)模型，支持各專業(yè)設(shè)計(jì)知識(shí)的復(fù)用；在組件級(jí)，建立通用的基礎(chǔ)組件模型，為各層級(jí)建模提供更豐富的補(bǔ)充；系統(tǒng)各層級(jí)的模型庫(kù)，具有高度的模塊化特點(diǎn)，可以通過(guò)理論分析、同類模型對(duì)比、試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證、相近系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)定等形式開(kāi)展模型驗(yàn)證，提高仿真結(jié)果的可靠性。設(shè)計(jì)與仿真一體化的MBSE工具平臺(tái)復(fù)雜系統(tǒng)論證過(guò)程要求建設(shè)如圖的滿足任務(wù)整體復(fù)雜性要求的完整工具體系，形成設(shè)計(jì)與仿真一體化的MBSE工具平臺(tái)；在工程總體層面（任務(wù)級(jí)），開(kāi)展多種任務(wù)場(chǎng)景的建模描述與評(píng)估，實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)定義、系統(tǒng)需求分解與分配、實(shí)施路線的定義與優(yōu)化等；在系統(tǒng)層面（系統(tǒng)級(jí)），部署系統(tǒng)架構(gòu)分析、需求管理、系統(tǒng)仿真驗(yàn)證等軟件，開(kāi)展動(dòng)力、傳動(dòng)、控制、通信、探測(cè)等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)論證工作；在專業(yè)技術(shù)層面（分系統(tǒng)級(jí)），開(kāi)展各分系統(tǒng)的能源、控制、運(yùn)輸?shù)葘ｍ?xiàng)任務(wù)設(shè)計(jì)與分系統(tǒng)設(shè)計(jì)，構(gòu)建專業(yè)詳細(xì)設(shè)計(jì)和仿真模型，開(kāi)展成本、風(fēng)險(xiǎn)和可靠性等指標(biāo)的驗(yàn)證與評(píng)估，建設(shè)專業(yè)設(shè)計(jì)與仿真軟件和各類系統(tǒng)分析軟件，支持各專業(yè)層級(jí)的任務(wù)分析與系統(tǒng)評(píng)估。MBSE協(xié)同設(shè)計(jì)論證標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系1.標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范基礎(chǔ)語(yǔ)言規(guī)范，定義建模仿真能力，系統(tǒng)研發(fā)工具、模型體系遵循國(guó)際通用基礎(chǔ)語(yǔ)言規(guī)范開(kāi)發(fā)，從而可以保證設(shè)計(jì)、驗(yàn)證工具與模型的先進(jìn)性和協(xié)同性系統(tǒng)建模規(guī)范是建模準(zhǔn)確性與可讀性的保障，通過(guò)對(duì)模型架構(gòu)、開(kāi)發(fā)、定義以及測(cè)試驗(yàn)證等進(jìn)行全方位的規(guī)范定義，保證模型表達(dá)的正確性、模型結(jié)果的可信性、模型復(fù)用的規(guī)范性模型驗(yàn)證規(guī)范定義模型的驗(yàn)證與確認(rèn)方式，包括測(cè)試大綱、測(cè)試流程、驗(yàn)證流程、驗(yàn)證數(shù)據(jù)來(lái)源以及驗(yàn)證結(jié)果評(píng)價(jià)方式等，是模型尤其是可運(yùn)行模型可靠性、可信性的保障。模型應(yīng)用規(guī)范則從總體流程、任務(wù)分析、工具選擇、角色分工、過(guò)程控制、結(jié)果形式等角度定義應(yīng)用方法與準(zhǔn)則，保證仿真過(guò)程可控、結(jié)果可信和數(shù)據(jù)可追溯。規(guī)范文檔名稱使命任務(wù)定義與需求分析系統(tǒng)架構(gòu)定義與可行性論證運(yùn)行方案仿真與綜合評(píng)估使命任務(wù)建模規(guī)范√——需求建模規(guī)范√——需求描述規(guī)范√——功能描述規(guī)范√√√架構(gòu)定義規(guī)范√√√邏輯建模規(guī)范√√√系統(tǒng)驗(yàn)證規(guī)范—√√建模語(yǔ)言規(guī)范√√√模型接口規(guī)范√√—軟件接口規(guī)范√√—文件規(guī)范√√√可靠性分析規(guī)范—TBD—安全性分析規(guī)范—TBD—保障性分析規(guī)范—TBD—維護(hù)性分析規(guī)范—TBD—測(cè)試性分析規(guī)范—TBD—模型傳遞規(guī)范√√√流程活動(dòng)規(guī)范√√√驗(yàn)證計(jì)劃規(guī)范—TBD√技術(shù)狀態(tài)管理規(guī)范√√√數(shù)據(jù)管理規(guī)范√√