基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践 课件 1 MBSE教材讲义 第一章 引论

立足航天、面向工业、服务行业基于模型的系统工程及MWORKS实践聂兰顺教授2024年11月08日立足航天、面向工业、服务行业引

论聂兰顺教授2024年11月08日复杂系统的发展趋势系统可以从系统规模和系统结构复杂程度两个角度进行分类：从系统规模角度，可以分为小系统、大系统、巨系统；从系统结构复杂程度角度，可以分为简单系统和复杂系统。根据这种界定方式，系统工程的关注对象是复杂大系统和复杂巨系统。从专业构成角度看，复杂装备通常包含总体结构、推进系统、制导系统、控制系统、探测系统、通信系统、能源系统、环热控系统等多个分系统，多个分系统协同工作，共同完成飞行、探测、作战、防御等任务，不同分系统间会产生不可预测的功能耦合、交叠甚至冲突传统系统研发主要采用“各系统基于文档分解研发任务→各专业孤立研发→基于实物试验开展实物迭代试错”模式，这种研发模式的研发周期长、成本高，更重要的是难以适应复杂装备在性能、效率和质量方面的高要求八大系统、大量分系统、数百万个零件，结构、力学、流体、动力、通信、软件、电子多专业协同成千上万工程师协作，数千供应商配合波音公司员工总数超过17万，超过14万人拥有大学以上学历中航工业集团下辖100余家成员单位、24家上市公司，员工逾45万人几十米长的结构件加工精度达到微米级上千℃高温、数十吨、千倍大气压载荷下高超音速飞行任务论证详细设计测试试验运行维护概念设计复杂系统的发展趋势收放作动器转弯作动器减震器起落架伺服控制器状态监控余度管理起落架伺服作动系统辅助飞控伺服作动系统发动机伺服作动系统喉道控制导叶片控制位置传感器尾喷管控制状态监控余度管理主飞控伺服作动系统方向舵作动器副翼作动器升降舵作动器减速板作动器指令传感器主操纵控制器远程控制单元安定面作动器扰流板作动器状态监控襟副翼作动器舱门作动器角度传感器辅助操纵控制器状态监控余度管理复杂系统的发展趋势复杂系统的发展趋势典型复杂工业系统航天航空能源船舶车辆Poweredorks1工业系统高复杂性高性能要求高可靠性多系统交联多层次结构多学科耦合多团队协作极端任务环境极致性能要求耦合机理复杂技术验证困难运行环境多样安全性可靠性设计难度大规范性要求高复杂系统的发展趋势2007年美国总统科技顾问委员会（PCAST）在报告中将CPS列为联邦研究投入的最优先领域之一，德国于2012年10月制定了《未来项目“工业4.0”落实建议》，指出CPS是工业4.0的核心，我国2010年在《国家重点基础研究发展规划》和《国家重大科学研究计划》中也明确了CPS研究的重要性。综合来看，新一代复杂系统及其研制需要关注以下趋势：系统形态由“复杂系统”向“系统的系统”延伸，多系统协同将创造更多的价值；“软件定义”是工业产品/复杂装备/工程系统的未来，而数字化研发是“软件定义”的基石；基于模型的设计（ModelBasedDesign）是CPS时代的技术特征和必然要求；统一的模型规范是跨学科、跨领域集成的基础，Modelica、SysML等标准是未来重要的基础标准。复杂系统的发展趋势INCOSE2035愿景中指出，复杂系统从原始的机电系统、电气&电子系统发展到软件化、网络化系统，到未来将进一步过渡到数据与智能驱动系统。“系统工程是进行技术决策时查看系统“全貌”的途径，是在确定的运行使用环境下和规划的系统寿命周期中，在费用、进度和其他约束条件下，达到利益相关者所提出的在功能、物理和使用方面性能需求的途径。它还是能够支持对系统寿命周期费用进行控制的方法论。简而言之，系统工程是一种有逻辑的思维方法”NASA将“系统工程”定义为一种用于系统设计、实现、技术管理、运行使用和退役处置的有条理的、多学科的方法。基于文档的系统工程方法已不能满足工程应用需求：易产生理解歧义，信息一致性难以维护，可追踪性难以保障；子系统间隔离的设计难以开展多学科全系统设计与验证；与技术系统融合度低，倚重管理。系统工程与基于模型的系统工程MBSE是一种通过建模支持系统需求、设计、分析、验证和确认的形式化手段，可从概念设计阶段开始，一直持续到开发及以后的后期生命周期阶段。

Theformalizedapplicationofmodelingtosupportsystemrequirements,design,analysis,verificationandvalidationactivitiesbeginningintheconceptualdesignphaseandcontinuingthroughoutdevelopmentandlaterlifecyclephases.(INCOSE2007)《系统工程愿景2035》中还指出，到2035年，将会有统一、集成的MBSE系统建模与仿真（SystemModelandSimulation，SMS）框架问世，能够与数字孪生技术结合，并完全集成到企业级数字线索基础软件，能够实现多领域模型集成，支撑“从摇篮到坟墓”的全生命周期虚拟探索，能够灵活高效地捕捉、建模、模拟和理解用户体验，实现敏捷的持续集成、构建、验证和周期性发布。系统工程与基于模型的系统工程MBSE概念与内涵伴随系统规模的扩大，传统基于文档的沟通、协同方式，已经远不能满足系统规模的急剧扩展需求INCOSE在《MBSE方法学综述》中给出解释，MBSE方法学包括相关过程、方法和工具的集合，以支持基于模型或模型驱动环境下的系统工程MBSE是一种系统工程方法，它利用模型作为系统设计和开发过程中的主要信息源MBSE的目的是使用模型来改进系统工程的效率、效果和可靠性，这些模型代表了系统的各个方面，包括其结构、行为和要求MBSE概念与内涵MBSE概念与内涵数字

主线

虚拟集成虚拟实现设计建模架构建模虚拟验证虚拟确认详细设计系统需求初步设计研制要求产品实现系统集成产品测试产品验证交付确认服务维护数字孪生虚拟运行虚拟维护系统设计验证系统需求研制要求需求工程需求建模数字世界物理空间模型虚拟设计物理设计交付建模仿真MBSE概念与内涵准：通过数字化手段提升型号研制质量，同时通过实物提高数字化模型的可信度全：在各研制阶段充分全面考虑系统各专业耦合特性，实现整体最优与局部最优的平衡快：减少设计迭代次数，提升研制效率，缩短研制周期，降低研制成本早：在方案论证阶段与系统设计阶段提早发现并解决更多问题全系统统一建模：理论和经验模型化、知识化全生命周期应用：全范围、全周期、全要素系统统一数据源：模型化定义，全局映射管理设计验证一体化：需求、设计、仿真模型互操作早快全准MBSE方法最显著的优点与作用（1）便于交流和传播（2）数据容易获取（3）提高设计质量（4）提高生产率（5）降低风险MBSE典型应用场景系统多层级总体设计多专业综合集成验证虚实结合系统测试多专业岗位协同开发MBSE典型应用场景一种典型的基于模型的复杂系统的技术框架如图所示2010201520202025新兴MBSE标准分布式、安全的多领域模型库成熟的MBSE方法、指标、集成系统/HW/SW模型仿真、分析和可视化的集成架构模型定义MBSE理论、主体、形式跨专业、成熟的统一模型工业化的MBSE/完整的基于模型的需求获取良好定义的MBSE/传统的MB混合的需求获取特的MBSE/基于文档-传统的需求获取理解大图——全领域集成建模的能力相近领域建模的认知单一领域的建模实践基于模型工程/商业实践成熟度MBSE能力成熟度INCOSE在2007年制定的MBSE研究发展路线图MBSE国内外实践情况洛克希德马丁公司面向全生命周期多阶段的数字模型应用，提出了数字织锦概念，实现多阶段模型和数据映射集成数字织锦技术是MBE技术的扩展延申，通过数字织锦技术支持模型技术与数据技术的融合，实现多层级、多专业、多阶段模型之间的关联集成，可以支撑MBSE、数字孪生等全方位的数字化应用MBSE国内外实践情况跨专业、跨阶段系统模型具有明显的差异性，多源异构模型之间需要具有交互操作能力通用的语言和方法难以高效、完整地描述出系统组成特点，需要将模型与业务进行更深入结合系统架构模型与专业模型之间没办法实现真正的深度融合，影响了系统整体的综合集成迭代验证模型是MBSE应用实践中的核心资源，是MBSE数字化研制过程能力、质量、效率的基本保证互操作性