周末“知”道 | 基于模型的系統(tǒng)工程MBSE

2018-01-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本期為大家介紹基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)方法及建設(shè)方案,并分享系統(tǒng)工程建模領(lǐng)域領(lǐng)先的提供商N(yùn)o Magic公司的MBSE解決方案。No Magic公司深入?yún)⑴cSysML等標(biāo)準(zhǔn)的研發(fā),使得其產(chǎn)品和方案與標(biāo)準(zhǔn)具有天然的符合性。

基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE:Model Based System Enginering)是現(xiàn)代系統(tǒng)工程的最新發(fā)展。曾經(jīng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)師利用圖板做產(chǎn)品設(shè)計(jì)。CAD軟件的出現(xiàn),讓工程師們甩掉了圖板和圖紙,其間的效益大家都理解。系統(tǒng)工程師們當(dāng)前的境遇與以前的產(chǎn)品工程師相似,利用文檔做系統(tǒng)論證與設(shè)計(jì)。MBSE的出現(xiàn)類似于CAD的出現(xiàn),改用軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與論證,這種設(shè)計(jì)模式帶來的效益將不亞于CAD帶給產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的效益。更為重要的是,用數(shù)字化模型代替紙質(zhì)圖紙只是一種便利性量變,而MBSE則為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來質(zhì)的變化,是一種用以表達(dá)系統(tǒng)及其運(yùn)行方式的科學(xué)和完備的全新方法。如圖1所示。

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圖1 基于MBSE的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.問題的提出

現(xiàn)代工程系統(tǒng)伴隨著技術(shù)精細(xì)化與管理思想的發(fā)展,復(fù)雜性迅速增長。其構(gòu)件密集的特性越來越突出,單位成本急劇增加,研發(fā)組織中幾乎沒有人或單個(gè)團(tuán)隊(duì)能夠理解整個(gè)系統(tǒng)。而且,與其相關(guān)的運(yùn)轉(zhuǎn)支撐環(huán)境也越來越復(fù)雜。這些特點(diǎn)都對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了新問題,具體表現(xiàn)如下:

1)高端復(fù)雜產(chǎn)品的研發(fā)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)

高端制造業(yè)復(fù)雜產(chǎn)品及其運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)已從分立式演變?yōu)楦叨染C合式,其復(fù)雜性帶來開發(fā)周期和成本的增加。復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)的研發(fā)需要考慮眾多因素,如:產(chǎn)品系統(tǒng)本身、產(chǎn)品系統(tǒng)交付客戶后的使用運(yùn)行環(huán)境等。以空客380為例,由于體量的變化,相關(guān)的運(yùn)轉(zhuǎn)支撐環(huán)境需要發(fā)生相應(yīng)變化。運(yùn)送餐食的車輛、產(chǎn)品檢修、運(yùn)送行李等地面設(shè)備都需要做相應(yīng)調(diào)整,同時(shí)廊橋也需要根據(jù)380而重新設(shè)計(jì)。同樣,就戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)活動(dòng)來說,也不再是戰(zhàn)斗機(jī)單一機(jī)種的事情,可能需要預(yù)警機(jī)進(jìn)行空中指揮預(yù)警,由于航程因素需要空中加油機(jī)提前到指定空域會(huì)合,電子戰(zhàn)飛機(jī)事先進(jìn)行電子壓制,然后才是戰(zhàn)斗機(jī)執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)。在最危險(xiǎn)的前線還需要無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)。

2)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的龐大信息與數(shù)據(jù)難以管理

現(xiàn)代工程系統(tǒng)在整體復(fù)雜度上有了明顯增加,系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的龐大信息與數(shù)據(jù)開始變得難以管理和維護(hù)。而傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法采用文檔作為基線來組織系統(tǒng)工程活動(dòng),在現(xiàn)代系統(tǒng)工程中會(huì)生成各個(gè)方面和層面的大量文檔,由此引發(fā)許多困難:

?眾多信息分散于各個(gè)文檔,難以保證完整性與一致性;

?傳統(tǒng)工程說明文檔對(duì)于復(fù)雜的、動(dòng)態(tài)交互性強(qiáng)的活動(dòng)難以描述,表達(dá)力不足。有時(shí)會(huì)產(chǎn)生歧義,導(dǎo)致工程人員交流時(shí)的誤解;

?工程細(xì)節(jié)難以維護(hù)與跟進(jìn),某處文檔內(nèi)容更改后,與該文檔相關(guān)的文檔都需要相應(yīng)更改。工作量大,維護(hù)困難。

3)系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始前未能全面了解需求

過去的工業(yè)品設(shè)計(jì)過程中,在需求和系統(tǒng)方面花的時(shí)間往往很少,而把大部分時(shí)間花在做各種仿真和試驗(yàn)上。需求沒有分析清楚,工程師就開始進(jìn)入設(shè)計(jì)過程。一個(gè)實(shí)際工作中最典型的問題是:某產(chǎn)品可能一共存在15種場景,結(jié)果工程師只是對(duì)其中8種場景進(jìn)行過分析。設(shè)計(jì)到最后發(fā)現(xiàn)還有很多場景沒有考慮到,只能重新來過。因此,錯(cuò)誤的需求和系統(tǒng)設(shè)計(jì),往往會(huì)造成南轅北轍的嚴(yán)重后果,浪費(fèi)大量的人力物力。

4)缺乏準(zhǔn)確(無歧義)描述目標(biāo)的手段

通常,在產(chǎn)品開發(fā)的各個(gè)階段,幾乎所有人都只是從自己的視角去描繪了一個(gè)目標(biāo)。因此,在各階段轉(zhuǎn)換的過程中存在信息斷層。例如,從需求轉(zhuǎn)化到產(chǎn)品功能定義,往往沒有明確統(tǒng)一的交付物,各個(gè)階段各個(gè)學(xué)科應(yīng)用的工具、模型、描述方式均不相同,無法互通數(shù)據(jù)。而這些描述性文檔,往往會(huì)由于閱讀者專業(yè)背景的限制,造成理解偏差。如何通過構(gòu)建統(tǒng)一明確的模型,來減少各個(gè)學(xué)科和階段的信息交互偏差,是現(xiàn)代工程系統(tǒng)開發(fā)必須要解決的關(guān)鍵問題之一。

5)早期驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)問題不到位

在復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,如果能早期就對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證,及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并予以糾正,可節(jié)約大量糾錯(cuò)成本,有效提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。但由于缺少早期驗(yàn)證手段,使得現(xiàn)在在復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)間很晚。

2.問題解決思路

基于MBSE方法建立系統(tǒng)開發(fā)體系是一條比較成熟的路線。利用需求模型、行為模型及結(jié)構(gòu)模型,對(duì)系統(tǒng)的需求、功能、物理和參數(shù)進(jìn)行全面表達(dá),將頂層系統(tǒng)模型逐層分解成可被硬件、軟件表達(dá)的各個(gè)子模型,將子模型逐層集成整合為全系統(tǒng)模型。在這個(gè)過程中,模型帶來的另一種便利和益處,就是可以進(jìn)行系統(tǒng)仿真,對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)層次進(jìn)行透視、驗(yàn)證、確認(rèn)與優(yōu)化。

綜合來看,MBSE模式帶來的預(yù)期好處有以下幾個(gè)方面:

1)采用系統(tǒng)工程方法,從上到下進(jìn)行定義與分解,再從下到上進(jìn)行集成與整合驗(yàn)證,以應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)與體系的設(shè)計(jì);

2)引入MBSE中的“模型”,實(shí)現(xiàn)對(duì)象模型化,從而保證從上到下定義分解過程保持最本源共識(shí);

3)系統(tǒng)的表達(dá)由“以文檔為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙阅Ｐ蜑橹行摹?基于統(tǒng)一建模語言的一系列系統(tǒng)模型成為全生命期各階段產(chǎn)品表達(dá)的“集線器”,可以被各學(xué)科、各角色研發(fā)人員和計(jì)算機(jī)所識(shí)別,為研發(fā)組織內(nèi)的高效溝通和協(xié)同奠定了基礎(chǔ);

4)通過需求模型、結(jié)構(gòu)模型和行為模型解決目標(biāo)共識(shí)的問題;

5)為了保證需求定義、功能分解、系統(tǒng)綜合與整合驗(yàn)證過程不失真,從系統(tǒng)開發(fā)早期開始,就從多個(gè)維度和多個(gè)層級(jí)進(jìn)行全過程系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。

3.建設(shè)方案

根據(jù)建設(shè)思路,可以采用成熟的需求管理、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真等工具作為系統(tǒng)開發(fā)體系的信息化支撐平臺(tái)。同時(shí)系統(tǒng)開發(fā)體系還應(yīng)包括系統(tǒng)工程方法論、軟件應(yīng)用模式、最佳實(shí)踐和模型庫。圖2給出了MBSE的流程。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具通過標(biāo)準(zhǔn)建模語言SysML構(gòu)建需求模型、功能模型和架構(gòu)模型;通過需求管理工具實(shí)現(xiàn)需求管理;系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具實(shí)現(xiàn)功能到架構(gòu)的分解和分配;通過模型的執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求和功能邏輯的驗(yàn)證和確認(rèn);采用系統(tǒng)仿真工具實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)合仿真。

1)根據(jù)使用需求、運(yùn)行方案等,識(shí)別需求和驗(yàn)證策略,給出結(jié)構(gòu)化的需求體系。建立追蹤體系,輸出需求規(guī)范和用例模型;

2)分析系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)活動(dòng),完成需求和功能邏輯的驗(yàn)證和確認(rèn),輸出系統(tǒng)功能模型;

3)選擇最優(yōu)架構(gòu),基于模型開展功能分解和分配,識(shí)別系統(tǒng)內(nèi)外接口。通過模型的執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求和功能邏輯的驗(yàn)證和確認(rèn);

4)利用系統(tǒng)仿真工具進(jìn)行系統(tǒng)及體系的統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真,實(shí)現(xiàn)功能(性能)樣機(jī)的協(xié)同。

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圖2 基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)的流程

4.設(shè)計(jì)工具

根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)整體業(yè)務(wù)框架,基于模型的設(shè)計(jì)工具主要具有以下幾個(gè)方面的能力:

1)完成需求圖、結(jié)構(gòu)圖和行為圖的SysML建模,可與需求管理工具無縫集成;

2)一種可視化編程環(huán)境,具有完整的、可定制的代碼自動(dòng)生成能力;

3)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)和開發(fā)環(huán)境,可進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和驗(yàn)證,是可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu);

4)系統(tǒng)建模與仿真,在設(shè)計(jì)初期考慮系統(tǒng)功能的影響,對(duì)各個(gè)功能子系統(tǒng)進(jìn)行多方案評(píng)估。

5.預(yù)期效果

MBSE引入特定的建模語言與工具、建模規(guī)范與流程,以模型為基線來組織系統(tǒng)工程活動(dòng)。工程中所有相關(guān)人員如利益方、設(shè)計(jì)方、實(shí)踐方、驗(yàn)收方等,都能夠著眼于公共認(rèn)同的系統(tǒng)模型,需求定義、結(jié)構(gòu)分析、功能分析、性能分析、仿真驗(yàn)證等活動(dòng)全部圍繞著系統(tǒng)模型進(jìn)行。不斷利用該模型來指導(dǎo)工程,也不斷通過工程實(shí)踐的反饋,來維護(hù)更新模型,以使模型與工程并行前進(jìn)。

基于MBSE的系統(tǒng)開發(fā)體系有助于理解、組織、管理復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā),貫穿于產(chǎn)品生命周期的各個(gè)階段。從早期需求,到確定產(chǎn)品的功能,再到建立技術(shù)架構(gòu),完整考慮產(chǎn)品開發(fā)相關(guān)技術(shù)和業(yè)務(wù)的各方面因素,如性能、成本、采購、制造等。

基于MBSE體系解決的問題涵蓋多種領(lǐng)域、多個(gè)學(xué)科,并提供產(chǎn)品在各層次和各方面的定義。除了前文所述的綜合益處外,MBSE還具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)MBSE的表達(dá)能力強(qiáng)大,能夠做到信息與知識(shí)表達(dá)的無歧義性;

2)模型是一個(gè)可以傳承知識(shí)和成果的載體,是持續(xù)積累進(jìn)而功力增強(qiáng)的基礎(chǔ);

3)建立的系統(tǒng)模型具備一致性與完整性。系統(tǒng)模型涵蓋工程全生命周期,包括需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證與確認(rèn)過程,所有層級(jí)之間可貫穿、可追溯;

4)提供一個(gè)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)南到y(tǒng)描述方式和直觀的系統(tǒng)表達(dá),有助于駕馭一個(gè)大而復(fù)雜的系統(tǒng)和體系,可大幅度提升大型復(fù)雜系統(tǒng)的功能和性能;

5)提供多視角、多剖面進(jìn)行系統(tǒng)的審視,有助于在設(shè)計(jì)初期進(jìn)行驗(yàn)證確認(rèn),降低修改成本與風(fēng)險(xiǎn);

6)系統(tǒng)仿真使得仿真技術(shù)的應(yīng)用從單學(xué)科、零組件級(jí)向多學(xué)科、系統(tǒng)級(jí)乃至體系級(jí)進(jìn)化,真正實(shí)現(xiàn)對(duì)研發(fā)早期階段和系統(tǒng)工程全過程的支持,實(shí)現(xiàn)客戶需求在復(fù)雜產(chǎn)品系統(tǒng)全生命期各階段的分析、定義、追蹤和驗(yàn)證;

7)有助于大團(tuán)隊(duì)協(xié)作。大戰(zhàn)役需要多人多團(tuán)隊(duì)共同參與,基于一個(gè)統(tǒng)一模型來對(duì)話,可降低協(xié)同工作難度。

6.No Magic MBSE解決方案

建模工具的選擇是MBSE實(shí)施過程中的一項(xiàng)重要工作,目前市場上MBSE或SysML建模工具眾多,No Magic 公司的MagicDraw由于其易用性、建模功能(SysML敏捷建模)、對(duì)SysML標(biāo)準(zhǔn)符合程度和互操作性、與需求管理工具的集成、團(tuán)隊(duì)建模和技術(shù)支持等方面的優(yōu)勢,而占據(jù)了行業(yè)的領(lǐng)先地位。

除了軟件功能,實(shí)施方法學(xué)也是MBSE整體解決方案的重要組成部分。用戶畫的各種模型圖都質(zhì)量好壞的差別,對(duì)于同一問題系統(tǒng),模型存在最優(yōu)解甚至標(biāo)準(zhǔn)解,如何提高建模質(zhì)量就是方法學(xué)要解決的問題。No Magic公司的MBSE方法學(xué)是MagicGrid,是IBM Harmony、OOSEM等各家方法學(xué)和DoDAF、NAF等各家架構(gòu)框架的綜合集成,為用戶提供無二義性的系統(tǒng)建模工作流程。