基于模型的系统工程

1基于模型的系统工程2主要内容一、对系统工程的进一步理解和认识二、MBSE的概念和特点三、MBSE的优势四、国外的研究与应用情况五、MBSE对中国航天和工程界的意义3一、对系统工程的进一步理解和认识（一）系统工程包括技术过程和管理过程（二）系统工程、系统模型和系统建模（三）系统工程目前所面临的挑战45V型图：层层分解与层层验证建模语言建模方法建模工具管理过程技术过程6技术沟通过程商务沟通过程•技术沟通过程的管理•商务沟通过程的管理7（二）系统工程、系统模型和系统建模模型就是建模者把建模对象中感兴趣的某些特征抽取出来并用某种符号所表示的产物。——美国国防部系统工程研究中心《系统工程知识体系指南》建模语言：抽象语法、具体语法。模型载体：纸张、计算机硬盘等。8对工程研制的认识•工程活动：造出满足人的需要的东西。•工程研制是一个知识沟通的过程，也是一个建立系统建模的过程。•任何工程系统的设计都要经历用户需求→系统要求→系统功能→系统结构→系统参数这样一个推导的过程。•设计语言必须能够表示需求、系统要求、系统结构、系统行为、系统参数等。9系统模型所谓工程系统模型就是以各种符号、线条、文字组成的、可以依据该模型把工程系统建造出来的模型。系统模型都是三层的，而且必须集成在一起。10DataData系统工程师的桌面抽取出的需求文档图表1图表2图表3数据功能列表文档追溯清单分析和权衡研究工程分析文档任何更改都会影响其它的文档物理部件接口定义源文档打印出的报告、模型和规格系统模型：牵一发而动全身11系统建模工程系统的研制过程，就是建立工程系统模型的过程。工程系统模型是工程设计工作的成果和中心。从工程系统研制工作的不同种类、不同阶段来对建模工作进行划分，主要包括以下几类：构建模型（指用户构建需求模型，描述自己的需求）推导模型（从需求模型推导出逻辑模型，再推导出物理模型）修改模型（分析、优化、完善、改正）实现模型（依据模型做出实物）验证模型（对设计结果进行试验、仿真、验证）选择模型（分析、评价、权衡研究）等。因此可以说，工程系统研制过程就是建立工程系统模型的过程。对研制工作的管理，就是对这些系统建模工作以及模型本身的管理。12系统工程：围绕系统模型的系统建模工作系统模型构建模型选择模型推导模型修改模型验证模型实现模型13系统工程的主要做法工程系统日渐复杂→工程系统模型日渐复杂→工程系统建模工作日渐复杂→工程系统建模工作的管理难度日渐增大我们所理解的系统工程：系统工程是一种方法，一种建立复杂工程系统的模型的方法（此处的系统建模是广义的），因此，系统工程方法包括了用于系统建模的语言、建模工具、建模方法、建模工作的组织管理（含工具）。系统工程过程：给出了一个从系统层过渡到元素层的规范化的方法，它给出了一个解决问题的逻辑思路并把它固化了下来。研制程序、技术基线与技术评审：把这些建模工作在时间轴上“平摊”开来，就形成了研制程序。数学模型和仿真技术：减少对实物模型及实物试验的需求。建模工作的组织管理：项目管理，WBS、PERT、关键路径法、挣值管理等。工具：计算机，对系统建模工作和建模工作的组织管理进行支撑。14（三）系统工程所面临的挑战理解的难度在增大：认知和理解是研制出系统的前提，目前对系统进行认知的太慢、成本太高系统越发复杂系统的系统沟通成本太高：NASA的经验，“系统工程95％是沟通，5％是工程”。15航天器设计过程中的沟通16二、MBSE的定义和特点（一）MBSE的三个支柱（在三个方面与TSE的区别）（二）MBSE的两个特点17MBSE的三个支柱MBSE有三个支柱：建模语言，建模思路，建模工具。系统工程团队会使用特定的建模工具，标准化的建模语言来执行特定建模方法所要求的一系列设计任务，以创建出一个集成化的系统模型。MBSE建模语言建模思路建模工具18TSE和MBSE特点对比TSEMBSE建模语言自然语言为主系统建模语言为主建模工具计算机（安装了自然语言编辑软件）计算机（安装了系统建模语言编辑软件）建模方法以处理文本文档为主以处理图形化、可视化、形式化的模型为主系统模型一本一本的报告“离散”构成，靠手动、人工关联存储在计算机的模型库中，自动关联系统模型的仿真对计算机的利用程度低对计算机的利用程度高系统建模中的人机分工与协作低水平高水平19系统模型从零散到集成TSE：离散、凌乱的各种文档（纸质、电脑中）MBSE：集成的、关联的各种模型201、系统建模语言SysML图示结构图示行为图示参数图[PD]内部块图[IBD]块定义图[BDD]包图[PKG]需求图示需求图[REQ]序列图[SD]状态机图[SMD]活动图[AD]用例图[UC]21以块定义图为例说明系统建模语言22活动图：表示各个块之间的控制流、物质流、能量流信息流23用顺序图表示各个系统之间的消息24模型元素的交叉关联结构行为要求参数25SysML的特点•可视化：通过框图、线条把那些通过文字或其它表达方法很难表达清楚的、隐晦的潜台词用简单直观的图形表达和暴露出来，准确而直观地描述复杂的含义，把“隐晦”的变成“可视”的，便于读者理解模型所表达的意思，从而提高了沟通的效率。•形式化：克服了自然语言在表示工程系统和科学规律方面随意性的缺点，而且便于计算机处理。•关联化：用户端用线条、箭头、块的名字等实现了关联，在计算机底层，通过形式化的实现了关联，可以保证对系统模型进行修改时的联动、同步、一致性。26通俗的比方：类似Excel中的关联识别号1识别号118名称导弹名称发动机持续时间16小时长度16精度8米宽度8射程10000公里质量9总质量80吨操作要求准备时间不大于30分钟识别号120名称弹体识别号119长度41名称弹头宽度7长度20质量1宽度3质量427现有的系统工程过程的产出需求分析•分析任务和环境•识别功能要求•定义/推敲性能与设计的约束条件功能分析与分配•把功能分解到下一层•把性能和其他限制性要求分配到功能层次•定义功能接口•定义功能架构设计综合•将功能结构变为物理架构•定义备选方案•定义物理接口需求回路设计回路验证回路•需求文件•操作概念文档•功能分解•FFBD/EFBD图•产品分解结构•系统分解图•N228MBSE的系统工程过程的产出需求分析•分析任务和环境•识别功能要求•定义/推敲性能与设计的约束条件功能分析与分配•把功能分解到下一层•把性能和其他限制性要求分配到功能层次•定义功能接口•定义功能架构设计综合•将功能结构变为物理架构•定义备选方案•定义物理接口需求回路设计回路验证回路包图[PKG]需求图[REQ]用例图[UC]顺序图[SD]状态机图[SMD]活动图[AD]参数图[PD]内部块图[IBD]块定义图[BDD]图292.建模思路建模思路可以比作是去往某目的地的路径图，规定了一套必须要执行的任务序列，以保证团队成员带着共同的目标和视角，以具有一致性的形式完成系统建模过程。目前主要的方法包括：IBMTelelogicHarmony-SEWeilkiensSystemModeling(SYSMOD)methodINCOSEObject-OrientedSystemsEngineeringMethod(OOSEM)等。303.建模工具建模工具是一些兼容特定建模语言的计算机软件工具。系统建模工具的功能与图形绘制工具如Visio、Schematic等完全不同。图形绘制工具创建的是可视画面，画面中的元素之下并没有模型的支撑以保证元素之间的一致性；建模工具创建的模型包含模型组件以及组件之间的关系，创建的视图是为了对模型的容纳进而审阅、浏览，远超“画面”所能表达的意义。常用的建模工具有IBMRhapsody、MagicDraw等。31软件模型机械、电气模型QQSETCLRSR验证模型性能、可靠性、保障性等òG(s)U(s)分析模型（二）MBSE的特点1：模型的集成制造产品保障系统模型TestPlanAnalysisSpec用户模型32各专业学科的模型如何集成在一起？33（二）MBSE的特点2：知识模型化•型号研制所需的知识都是以文档、模型的形式存在，并进行沟通交流。•可以用自然语言表示知识，也可以用系统建模语言表示。•从TSE到MBSE，是从“知识文本化”到“知识模型化”。•便于理解、便于沟通，使得项目团队中的“吵架”吵得更有水平。34三、MBSE的优势（一）及早进行全系统仿真（二）应对需求蠕变（三）实现软硬件的和谐开发（四）提升研制单位知识管理的能力（五）系统工程管理的部分工作变得容易3536•模型的集成和知识的模型化关系紧密：–知识必然以模型的形式表示，并且存储在模型载体、建模工具上，MBSE的特点是模型的集成化程度高，即系统模型的各个视图便于集成，各个视图实际上是系统的各个利益相关者根据自己所掌握的知识所构建出来的，或者是运用自己所掌握的知识对系统视图的修改、优化。–因此，MBSE的模型的集成化程度高和知识模型化本质上是一回事。37（一）及早进行全系统仿真虚拟分系统集成测试分系统集成测试系统集成测试用户要求分析系统要求虚拟系统集成和测试零部件实现分系统要求零部件要求系统确认交付验证验证验证确认38设计图图纸物理产品满意？N发现问题迟迭代次数多周期长、成本高Y试验试验传统方式：一切通过试验的设计39理念设计图试验满意？NY力学分析热分析机构分析流体分析电磁分析建模建模建模建模建模现行流程：试验为主，分析为辅40理念CAM试验满意？N力学分析满意？N热分析机构分析流体分析电磁分析优化CAT系统模型MBSE的流程41（二）应对需求蠕变块定义图内部块图参数图活动图顺序图状态机图需求图用例图需求的模型设计的模型集成测试模型42（三）实现软硬件的和谐开发制造编码和CSU测试CSC综合和测试HWCI试验CSCI测试系统要求分析系统设计系统综合和试验初步设计硬件要求详细设计软件要求分析详细设计初步设计研制程序当前的开发模式设计出图43MBSE的和谐开发模式制造编码和CSU测试CSC综合和测试HWCI试验CSCI测试系统要求分析初步设计系统综合和试验详细设计详细设计系统设计设计出图研制程序44（四）提升研制单位知识管理的能力•两总经验的总结、型号研制中常见风险，变成系统建模语言所构建的容易理解的模型、图形，而不仅仅是文本。•在MBSE下，成熟型号的知识是以系统建模语言模型的形式表示和存储的，便于捕获、查询、理解、重用，而且重用的级别可以大幅度地提高，类似设计软件时可以直接拿来一个模块进行重用。单个型号的架构，也可以在后续类似型号中重用。•MBSE和PDM、并行工程有明显的不同。45（五）系统工程管理的部分工作变得容易•凡是涉及到型号设计方案（系统模型）的管理和维持的工作，都会变得比较容易，如技术状态管理、资料管理、接口管理、权衡研究等。46主要内容一、对系统工程的进一步理解和认识二、MBSE的概念和特点三、MBSE的优势四、国外的研究与应用情况五、MBSE对中国航天和工程界的意义47国外公司在大规模推广应用MBSE洛马公司NASA庞巴迪欧洲导弹公司正在大规模应用；潜艇设计团队花了1年时间，把原来的文档全部转成MBSE的模型十大中心对MBSE都有应用。新的项目都在用MBSE。是洛马公司的供应商。被洛马公司要求使用MBSE研制时间缩短50％以上。其它的公司，效率提升一般在10－40％。4748我们对国外MBSE应用情况的分析判断目前MBSE在国外已经从从概念、方法研究阶段迈入工程实践阶段，并且实践应用进展迅速，已经形成百花齐放，快速发展的格局。MBSE在国外正处于较大规模推广应用的阶段。MBSE是在对系统工程进行积极地研究和探索的情况下，结合型号研制的需求和已有的技术基础，提出来的新方法。49主要内容一、对系统工程的进一步理解和认识二、MBSE的概念和特点三、MBSE的优势四、国外的研究与应用情况五、MBSE对中国航天和工程界的意义50中国：既要技术创新也要管理创新•中国制造2025：工业4.0、制造强国。–制造强国需要很强的设计能