基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践 课件 2 MBSE教材讲义 第二章 MBSE语言、工具、方法论

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MBSE语言、工具和方法聂兰顺教授2024年11月08日SysML(SystemModelingLanguage，系统建模语言)，是目前MBSE方法中应用最为广泛的主流系统架构设计建模语言，支持对复杂系统开展规范化分析、设计、验证和确认工作。多领域物理统一建模语言Modelica从原理上统一了之前的各种多领域建模机制，其已成为复杂系统仿真建模通用语言。SysML提供基础建模元素，涵盖一套面向任何复杂系统的基础建模框架，抽象层级比较高。同时，它具备扩展功能。目前二者局限性：在设计模型与仿真模型之间的互操作性、统一描述与转换等功能上仍有不足；系统设计与虚拟验证之间尚未贯通，不能满足一体化设计与验证、全阶段模型一致性要求等；无法支持CPS的时序任务分析与设计、信息流专业设计与验证、CPS分布式架构的设计与复用、SOA（面向服务的架构）软件建模、通用总线协议描述与分析等专用需求。因此适用于CPS的领域专用方法、工具作补充满足CPS一体化设计与验证的流程、规范、工具需求。MBSE语言概述SysMLSysML提供了9张视图，从不同的维度描述系统，9张视图从需求、行为、结构和参数描述同一个系统。需求图（RequirementDiagram）：用来定义和跟踪系统的功能与非功能性要求，以及它们与其他模型元素的关系；用例图（UseCaseDiagram）：用来描述系统的用例，即表示系统的功能、参与者、用例和关系的图形符号，以及它们的范围和目标；块定义图（BlockDefinitionDiagram，BDD）：用来描述系统中的块，即表示系统的部件、模块、接口或约束等的抽象概念，以及它们的属性、操作和关联；内部块图（InternalBlockDiagram，IBD）：用来描述块的内部结构，即表示块的端口、组件、连接器、流程和分配等的图形符号；参数图（ParametricDiagram）：用来描述块的参数约束，即表示块的参数、方程式、值和绑定等的图形符号；包图（PackageDiagram）：用来描述系统中的包，即系统的组织单元，以及它们的依赖和嵌套关系；活动图（ActivityDiagram）：用来描述系统的活动，即表示系统的输入、输出、控制和数据流等的图形符号，以及它们的条件和并发性；序列图（SequenceDiagram）：用来描述系统的交互，即表示系统中的对象、角色、消息和生命线等的图形符号，以及它们的时间顺序和条件；状态机图（StateMachineDiagram）：用来描述系统的状态，即表示系统中的对象、事件、状态、转换和动作等的图形符号，以及它们的触发条件和效果。MBSE语言概述用例图SysML视图需求图行为图参数图结构图活动图状态机图序列图块定义图内部块图MBSE语言概述包图其他图形通用建模元素表格、矩阵SysML模型的基本元素ModelicaModelica技术是代表性的数字化设计与验证技术，已经成为世界公认的MBSE和CPS的核心关键支撑技术：系统多领域统一建模仿真。Modelica是一种开放、面向对象的以方程为基础的语言，适用于大规模复杂异构物理系统建模，包括：机械、电子、电力、液压、热、控制及面向过程的子系统模型；用数学方程描述不同领域的物理规律和现象，基于语言内在的组件连接机制实现模型构成和多领域集成，通过求解微分或代数方程实现仿真运行；Modelica的最大特点是支持物理建模。OpenModelingLanguageObjectOrientedMultiEngineeringAcausalModeling28MBSE语言概述Modelica标准库简表28名称描述UsersGuideModelica（标准）库的使用指南Blocks基本输入输出控制框图模型库（连续、离散、逻辑、表格）Electrical电类模型库（模电、数电、电机等）Math数学函数库（如sin、cos）以及矩阵和向量的运算函数库Mechanics一维和三维机械模型库（多体、平移、转动等）Media媒介性质模型库Thermal模拟热交换和简单管路热流的热力学组件模型库Utilities用于编写脚本等的工具函数库（针对文件、流、字符串、系统等的一些操作）Constants数学和自然界中的一些常量或符号（如p、e、R、S等）Icons图标库SIunits基于ISO标准的国际单位制StateGraph用于离散和响应系统建模的层次状态机模型库MBSE语言概述28

连接器：描述组件与其他组件的接口变量

行为描述：描述模型物理行为的方程或算法MBSE工具概述281．建模活动（1）工程初始化（2）各种建模元素的创建（3）各种建模元素的修改（4）各种建模元素的删除（5）各种建模元素的属性定义（6）各种建模元素间的关联（7）各种分析矩阵的定义和生成（8）自顶而下的分解、分配（9）自底而上的综合、构建（10）内部仿真模型定义（11）模型的编译、仿真（12）可视化分析与检查（13）报告生成（14）参数方程定义（15）备选方案定义（16）评估与决策系统设计建模软件MBSE工具概述282.数据组织（1）面向图的数据组织（2）面向阶段的数据组织（3）面向对象的数据组织（4）面向上下游的数据组织（5）面向评审的数据组织（6）面向迭代的数据组织（7）可以自定义项目结构树3.关联引用（1）模型元素调用（2）外部模型调用（3）外部数据导入（4）模板、概要文档的定义与引用（5）自动执行（6）验证策略定义4.分析运行（1）参数约束仿真（2）指标分配仿真（3）行为黑/白盒仿真（4）效能评估模型仿真（5）外部专业仿真系统设计建模软件MBSE工具概述28系统仿真建模软件时间事件备注1997年9月Modelica规范发布

2006年9月达索公司收购DynasimAB公司的Dymola，采用Modelica作为CATIAV6核心标志着Modelica正式为工业界所接受2007年6月LMS公司收购AMESim，支持Modelica

2007年10月欧洲EUROSYSLIB计划启动，旨在强化欧洲在嵌入式系统建模与仿真方面的领导地位

2008年2月MathWorks公司在MATLAB中推出类似于Modelica的SimScape模块，支持多领域统一建模世界三大数学软件之一2008年12月Maplesoft公司发布基于Modelica的工程仿真软件MapleSim世界三大数学软件之一2011年3月WolframResearch公司收购MathModelica，其后发布支持Modelica的SystemModeler世界三大数学软件之一2012年11月西门子公司收购LMS公司，其包含的AMESim软件支持Modelica

2013年10月ESI集团收购CyDesignLabs，支持基于Modelica的系统建模

2014年9月ANSYS与Modelon合作支持Modelica，提供一维系统模型与三维有限元模型集成

2015年4月达索公司收购Modelon公司，进一步加强对Modelica的支持，提供系统与三维模型集成

2016年1月ESI集团收购ITI公司，进一步强化其系统与三维模型集成的战略MWORKS平台简介紧贴业务，扩展方便，定制适用于不同专业的设计工具领域知识模型复用支持多层级模板、模型库的积累与复用，实现领域知识的高效应用设计仿真模型转换开放定制能力内置主流设计流程的功能模板，方便设计师更快理解掌握系统设计模型与系统仿真模型快速转换，打通设计验证闭环内置设计流程MBSE工具概述MWORKS平台简介MWorks.Sysbuilder是面向复杂工程系统，基于模型的系统架构设计工具。以系统需求作为输入，按照自顶向下的系统研制流程，以图形化、结构化、面向对象方式，覆盖系统概念架构、功能架构和逻辑架构设计过程，通过与MWorks.Sysplorer的紧密集成，支持在系统设计的早期实现多领域综合分析和验证。2.用例详细分析面向系统使命任务，针对典型任务场景，识别出任务曲线、环境要素、利益相关方等系统上下文信息，结合用例图绘制任务场景，开发或者复用环境与外部系统动态模型，实现任务场景的构建与动静态分析，与任务分解配合进行迭代，形成数字化任务模型和量化的任务需求。3.需求用例关联1.用例图分析系统设计验证过程：任务分析MBSE工具概述根据系统任务，承接系统任务模型，采用活动图、序列图、状态机图等多种行为模型，对任务的行为逻辑进行描述，开展黑/白盒等不同颗粒度的模型描述与细化，完成系统功能逻辑定义与分析，并形成系统功能需求。系统设计验证过程：行为分析MBSE工具概述以系统任务、需求和行为模型作为牵引，采用架构设计类视图，开展结构分解定义接口设计、参数定义、功能分配等工作，支持系统架构设计。面向强协同环境，还能够构建多岗位网络化协同论证环境，将不同模块的设计任务分配给不同岗位人员，支持基于模型的网络化并行协同设计与集成验证。系统设计验证过程：架构设计MBSE工具概述以系统架构模型为输入，向下传递分系统研制需求，开展各专业或分系统设计工作。可以复用各专业或者分系统的Modelica模型库，进行少量封装开发，集成为专业或分系统选型设计模块，支持多种构型方案的并行设计与指标评估，从而提升专业或分系统方案设计、评估的可行性与效率。系统设计验证过程：专业或分系统设计MBSE工具概述以系统架构模型、专业或分系统方案等为输入，进行总体设计综合，以网络化协同或离线提交的形式，将各专业或分系统模型提交给总体专业系统工程师进行综合集成，形成总体设计模型，并开展总体集成仿真验证。系统集成的输出为系统总体方案。系统设计验证过程：系统集成MBSE工具概述将已有的系统总体方案模型转换或者关联到系统仿真模型，实现二者之间的参数传递，通过行为模型、架构模型驱动仿真模型的快速编译、求解，应用仿真数据，实现对技术需求、任务参数的仿真验证，根据仿真结果实现系统总体方案的动态计算评估。系统设计验证过程：仿真验证MBSE工具概述系统设计验证过程：分析评估以系统总体方案为输入，开展需求覆盖性分析、需求追溯性分析、多方案比较分析等。需求覆盖多方案比较分析通过对可靠性、成熟度、成本、质量、尺寸等指标对方案进行综合评价，并按照最终评分对方案进行排序，辅助人工进行优选系统设计验证过程：模型库积累结合上述系统设计验证过程，能够实现多专业、多层级的系统设计知识积累，将任务、功能、结构、机理等各类模型沉淀为可复用的系统设计模型库，支持后续同类型号系统的快速设计与验证。MBSE工具概述MBSE方法概述MBSE方法采用形式化的建模手段MBSE技术体系通过模型化的任务分析、需求分解、架构设计、系统验证手段，能够支持复杂系统模块化、集成化、多领域统一和多专业协同研发，满足复杂系统基于模型系统设计验证的通用业务活动要求OOSEM是INCOSE提出的一种MBSE方法MagicGrid方法是NoMagic公司（于2018年被达索公司收购）提出的一种基于SysML语言的MBSE方法，该方法以矩阵形式呈现了MBSE方法的各项建模活动HarmonySE（敏捷系统工程）方法是IBM公司提出的一种基于SysML的MBSE方法，其着眼于不同流程、不同模型之间的传递与演化关系，结合敏捷开发的思想，实现逐步扩展的系统架构设计与迭代MBSE方法概述MBSE方法概述MBSE应用实践关键问题共性问题：唯一真相源=唯一

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真相“唯一真相源”是复杂系统全生命周期协同研制效率与质量的促进剂；系统设计建模语言和系统仿真建模语言二者之间缺少互操作能力；“唯一”和“真相”尚未真正结合在一起，距离“唯一真相源”尚有较大差距；系统研发=系统设计+系统验证MBSE方法关注系统设计，符合系统工程师自顶向下分解的视角；在具体研发实践过程中，更符合自底向上集成的验证需要；现有工具尚未实现系