基于模型的系统工程（MBSE）及MWORKS实践 课件 7 MBSE教材讲义 第七章 运行方案仿真与综合评估

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、服务行业运行方案仿真与综合评估聂兰顺教授2024年11月08日概述在运行方案仿真与综合评估阶段，结合已经建成的技术和平台基础，设计系统的阶段性运行方案，构建多阶段系统任务仿真模型，开展多任务、多层级的总体可行性论证，最终输出可行性方案；

通过设计仿真一体化技术，有助于在系统设计的同时，实现系统需求、技术指标、设计参数与约束条件的快速仿真验证，保证系统设计方案的正确性、合理性。运行方案仿真运行方案仿真的目标构建系统运行方案视图。面向系统使命任务，基于系统需求模型和系统架构模型

，建立任务执行过程的功能模型、仿真模型；开展多方案分析权衡。述各具体任务过程的目标、环境、过程、指令、参数以及对应的系统响应情况，创建不同设计思路下的多方案模型，开展多方案验证评估与权衡；确定分系统的评估标准与方法，开展各分系统或模块的方案验证与评估。运行方案仿真系统仿真建模Modelica模型的特点多领域耦合建模采用代数微分方程描述各专业的原理，对模型方程组进行统一仿真求解时，可充分考虑各专业之间的相互动态影响。基于能量流的变量传递基于广义基尔霍夫定律，实现不同专业模型之间变量的传递，由基于数据流的单向变量传递，转变为基于能量流的双向变量传递。变量传递方向在求解过程中自动推导，无须人为约束。基于物理拓扑结构建模由算法建模方式转变为物理建模方式，模型的接口与物理接口对应，模型的连接与物理拓扑结构一致。基于方程的物理原理建模模型代码与物理原理方程一致。离散、连续统一建模模型在某些事件点处会发生状态变化，采用Modelica语言可在模型中同时描述连续变化和离散的事件，无须针对多个状态切换的场景分开建模，实现连续、离散统一建模。运行方案仿真建模过程外部模型导入应用Sysbuilder提供的“导入设计模板”功能，将Modelica模型导入系统架构模型中，利用系统内置的Modelica编译求解内核进行解析，能够获得Modelica模型的参数、变量，并能够与系统架构模型参数、系统需求模型参数进行统一显示与管理，能够完成参数编辑、结果查看等操作。参数关联与快速验证将系统仿真模型与某个系统组成模块关联之后，可以进一步将Modelica模型的具体参数、变量与系统架构模型相关联，将系统架构模型参数输入Modelica模型中，将Modelica仿真结果与系统需求模型参数相关联，通过仿真结果验证系统需求是否被满足。运行方案仿真SysML与Modelica联合仿真选择功能活动选择设计模型库中的功能模型

，定义活动图模型。

定义执行流程将功能活动按照系统的执行逻辑用控制流进行连接。定义参数传递关系定义功能活动的输入输出对象，并用SysML对象流连接传递关系。构建通讯脚本基于脚本助手的模板，定义UDP通信脚本，定义通信端口和IP地址。关联传递参数根据通信的报文格式，将功能活动的输入输出对象与通信脚本的参数进行关联。定义仿真模型接口根据通信脚本和传递参数的信息，定义系统仿真模型的UDP通信组件接口，并将组件模型参数与系统仿真模型

接口进行关联。综合评估将系统仿真结果与系统需求、使命任务进行反馈对比，能够分析出系统方案的正确性、合理性，对多方案并行的情况，可以驱动多个方案的仿真模型并行运行，然后对比多个方案的评估结果，比较其优劣之处，实现多方案权衡。综合评估系统指标分析评估要进行系统方案综合评估，首先要对设计参数和技术指标进行全面分析，评估方案的可行性、合理性，总体技术指标的可达性等指标验证流程定义指标将系统的需求进行分类，提取非功能性需求定义为指标要求。构建约束模型根据指标要求中对参数的约束关系，通过Sysbuilder的约束模块构建反应系统指标和系统参数的对比验证模型。映射约束输入通过映射的方式将不同形式的计算验证模型中的输入与约束模型的输入进行关联映射。指标验证通过构建静态或动态计算模型，对指标的验证情况进行计算，并显示验证结果。综合评估多方案权衡多方案权衡就是提取系统方案模型中的结构化数据，形成多方案列表，通过可靠性、成熟度、成本、质量、尺寸等指标对方案进行综合评估，辅助人工进行优选，以UUV（水下无人航行器）为例，创建一个新实例选择实例类型为UUV，即可创建UUV相关实例；创建UUV相关实例后，通过单击设置实例值，即可得到不同实例值下对应的UUV；重复上述实例创建步骤，即可创建不同指标下的UUV实例，即多方案不同指标的UUV实例。综合评估多方案权衡下面生成Modelica仿真框架，首先需要进行Modelica原理填充，右键单击内部模块图空白处，选择“设置Modelica仿真框架属性”；在弹出的“Modelica仿真框架属性”对话框中，单击“类型”列右侧的浏览按钮；在弹出的“模型原理设置”对话框中，可以加载模型原理库；模型原理库有两种加载方式，一种为手动加载，另一种为自动加载。手动加载通过单击“+”按钮进行。自动加载通过将相关模型原理库内置在Sysbuilder软件相关安装文件夹下实现，用户也可以自定义原理模型；选择相应的原理模型后，右侧会弹出相关的接口和参数列表，供用户判断是否符合UUV相关原理。综合评估多方案权衡选择原理模型后，返回“Modelica仿真框架属性”对话框，可以通过下拉列表为该模型原理库中所有的相关设备、参数和接口选择原理模型，进行Modelica原理填充；对UUV相关设备、参数和接口进行Modelica原理填充后，右键单击内部模块图空白处，选择“生成Modelica仿真框架”，即可生成Modelica仿真框架图；在生成Modelica仿真框架之后，相关的代码也会自动生成，供用户进行检查、修改、复用等。综合评估多方案权衡在创建UUV相关实例，并为相关设备、接口、参数进行原理填充后，在相关组成属性上右键单击，选择“选择实例”，在弹出的对话框中进行实例选择；选择不同的实例，会自动将多个指标进行修改，然后根据不同实例的方案组成、参数定义计算出对应的系统功能、性能指标，多个方案的计算结果可以用图表对比的方式进行直观比较，以辅助用户决策。本章小结在运行方案仿真与综合评估阶段，通过Sysbuilder和Sysp