周末“知”道 | 基于模型的系統工程MBSE

2018-01-25 by:CAE仿真在線來源:互聯網

本期為大家介紹基于模型的系統工程(MBSE)方法及建設方案,并分享系統工程建模領域領先的提供商No Magic公司的MBSE解決方案。No Magic公司深入參與SysML等標準的研發,使得其產品和方案與標準具有天然的符合性。

基于模型的系統工程(MBSE:Model Based System Enginering)是現代系統工程的最新發展。曾經的產品設計師利用圖板做產品設計。CAD軟件的出現,讓工程師們甩掉了圖板和圖紙,其間的效益大家都理解。系統工程師們當前的境遇與以前的產品工程師相似,利用文檔做系統論證與設計。MBSE的出現類似于CAD的出現,改用軟件進行系統設計與論證,這種設計模式帶來的效益將不亞于CAD帶給產品設計師的效益。更為重要的是,用數字化模型代替紙質圖紙只是一種便利性量變,而MBSE則為系統設計帶來質的變化,是一種用以表達系統及其運行方式的科學和完備的全新方法。如圖1所示。

圖1 基于MBSE的復雜系統設計

1.問題的提出

現代工程系統伴隨著技術精細化與管理思想的發展,復雜性迅速增長。其構件密集的特性越來越突出,單位成本急劇增加,研發組織中幾乎沒有人或單個團隊能夠理解整個系統。而且,與其相關的運轉支撐環境也越來越復雜。這些特點都對復雜產品和系統設計帶來了新問題,具體表現如下:

1)高端復雜產品的研發面臨嚴峻的挑戰

高端制造業復雜產品及其運轉系統已從分立式演變為高度綜合式,其復雜性帶來開發周期和成本的增加。復雜產品系統的研發需要考慮眾多因素,如:產品系統本身、產品系統交付客戶后的使用運行環境等。以空客380為例,由于體量的變化,相關的運轉支撐環境需要發生相應變化。運送餐食的車輛、產品檢修、運送行李等地面設備都需要做相應調整,同時廊橋也需要根據380而重新設計。同樣,就戰斗機的作戰活動來說,也不再是戰斗機單一機種的事情,可能需要預警機進行空中指揮預警,由于航程因素需要空中加油機提前到指定空域會合,電子戰飛機事先進行電子壓制,然后才是戰斗機執行戰斗任務。在最危險的前線還需要無人機執行任務。

2)系統設計中的龐大信息與數據難以管理

現代工程系統在整體復雜度上有了明顯增加,系統設計過程產生的龐大信息與數據開始變得難以管理和維護。而傳統的系統工程方法采用文檔作為基線來組織系統工程活動,在現代系統工程中會生成各個方面和層面的大量文檔,由此引發許多困難:

?眾多信息分散于各個文檔,難以保證完整性與一致性;

?傳統工程說明文檔對于復雜的、動態交互性強的活動難以描述,表達力不足。有時會產生歧義,導致工程人員交流時的誤解;

?工程細節難以維護與跟進,某處文檔內容更改后,與該文檔相關的文檔都需要相應更改。工作量大,維護困難。

3)系統設計開始前未能全面了解需求

過去的工業品設計過程中,在需求和系統方面花的時間往往很少,而把大部分時間花在做各種仿真和試驗上。需求沒有分析清楚,工程師就開始進入設計過程。一個實際工作中最典型的問題是:某產品可能一共存在15種場景,結果工程師只是對其中8種場景進行過分析。設計到最后發現還有很多場景沒有考慮到,只能重新來過。因此,錯誤的需求和系統設計,往往會造成南轅北轍的嚴重后果,浪費大量的人力物力。

4)缺乏準確(無歧義)描述目標的手段

通常,在產品開發的各個階段,幾乎所有人都只是從自己的視角去描繪了一個目標。因此,在各階段轉換的過程中存在信息斷層。例如,從需求轉化到產品功能定義,往往沒有明確統一的交付物,各個階段各個學科應用的工具、模型、描述方式均不相同,無法互通數據。而這些描述性文檔,往往會由于閱讀者專業背景的限制,造成理解偏差。如何通過構建統一明確的模型,來減少各個學科和階段的信息交互偏差,是現代工程系統開發必須要解決的關鍵問題之一。

5)早期驗證發現問題不到位

在復雜產品的設計中,如果能早期就對系統進行驗證,及時發現錯誤并予以糾正,可節約大量糾錯成本,有效提高產品質量并縮短產品開發周期。但由于缺少早期驗證手段,使得現在在復雜系統設計過程中發現問題的時間很晚。

2.問題解決思路

基于MBSE方法建立系統開發體系是一條比較成熟的路線。利用需求模型、行為模型及結構模型,對系統的需求、功能、物理和參數進行全面表達,將頂層系統模型逐層分解成可被硬件、軟件表達的各個子模型,將子模型逐層集成整合為全系統模型。在這個過程中,模型帶來的另一種便利和益處,就是可以進行系統仿真,對系統的各個層次進行透視、驗證、確認與優化。

綜合來看,MBSE模式帶來的預期好處有以下幾個方面:

1)采用系統工程方法,從上到下進行定義與分解,再從下到上進行集成與整合驗證,以應對復雜系統與體系的設計;

2)引入MBSE中的“模型”,實現對象模型化,從而保證從上到下定義分解過程保持最本源共識;

3)系統的表達由“以文檔為中心”轉變為“以模型為中心”,基于統一建模語言的一系列系統模型成為全生命期各階段產品表達的“集線器”,可以被各學科、各角色研發人員和計算機所識別,為研發組織內的高效溝通和協同奠定了基礎;

4)通過需求模型、結構模型和行為模型解決目標共識的問題;

5)為了保證需求定義、功能分解、系統綜合與整合驗證過程不失真,從系統開發早期開始,就從多個維度和多個層級進行全過程系統的仿真驗證。

3.建設方案

根據建設思路,可以采用成熟的需求管理、系統設計和系統仿真等工具作為系統開發體系的信息化支撐平臺。同時系統開發體系還應包括系統工程方法論、軟件應用模式、最佳實踐和模型庫。圖2給出了MBSE的流程。

系統設計工具通過標準建模語言SysML構建需求模型、功能模型和架構模型;通過需求管理工具實現需求管理;系統設計工具實現功能到架構的分解和分配;通過模型的執行,實現系統需求和功能邏輯的驗證和確認;采用系統仿真工具實現系統聯合仿真。

1)根據使用需求、運行方案等,識別需求和驗證策略,給出結構化的需求體系。建立追蹤體系,輸出需求規范和用例模型;

2)分析系統靜態結構和動態活動,完成需求和功能邏輯的驗證和確認,輸出系統功能模型;

3)選擇最優架構,基于模型開展功能分解和分配,識別系統內外接口。通過模型的執行,實現系統需求和功能邏輯的驗證和確認;

4)利用系統仿真工具進行系統及體系的統一建模與聯合仿真,實現功能(性能)樣機的協同。

圖2 基于模型的系統工程(MBSE)的流程

4.設計工具

根據系統開發整體業務框架,基于模型的設計工具主要具有以下幾個方面的能力:

1)完成需求圖、結構圖和行為圖的SysML建模,可與需求管理工具無縫集成;

2)一種可視化編程環境,具有完整的、可定制的代碼自動生成能力;

3)統一的設計和開發環境,可進行系統調試和驗證,是可擴展的體系結構;

4)系統建模與仿真,在設計初期考慮系統功能的影響,對各個功能子系統進行多方案評估。

5.預期效果

MBSE引入特定的建模語言與工具、建模規范與流程,以模型為基線來組織系統工程活動。工程中所有相關人員如利益方、設計方、實踐方、驗收方等,都能夠著眼于公共認同的系統模型,需求定義、結構分析、功能分析、性能分析、仿真驗證等活動全部圍繞著系統模型進行。不斷利用該模型來指導工程,也不斷通過工程實踐的反饋,來維護更新模型,以使模型與工程并行前進。

基于MBSE的系統開發體系有助于理解、組織、管理復雜產品開發,貫穿于產品生命周期的各個階段。從早期需求,到確定產品的功能,再到建立技術架構,完整考慮產品開發相關技術和業務的各方面因素,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域、多個學科,并提供產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還具有以下優點:

1)MBSE的表達能力強大,能夠做到信息與知識表達的無歧義性;

2)模型是一個可以傳承知識和成果的載體,是持續積累進而功力增強的基礎;

3)建立的系統模型具備一致性與完整性。系統模型涵蓋工程全生命周期,包括需求、設計、分析、驗證與確認過程,所有層級之間可貫穿、可追溯;

4)提供一個科學嚴謹的系統描述方式和直觀的系統表達,有助于駕馭一個大而復雜的系統和體系,可大幅度提升大型復雜系統的功能和性能;

5)提供多視角、多剖面進行系統的審視,有助于在設計初期進行驗證確認,降低修改成本與風險;

6)系統仿真使得仿真技術的應用從單學科、零組件級向多學科、系統級乃至體系級進化,真正實現對研發早期階段和系統工程全過程的支持,實現客戶需求在復雜產品系統全生命期各階段的分析、定義、追蹤和驗證;

7)有助于大團隊協作。大戰役需要多人多團隊共同參與,基于一個統一模型來對話,可降低協同工作難度。

6.No Magic MBSE解決方案

建模工具的選擇是MBSE實施過程中的一項重要工作,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SysML標準符合程度和互操作性、與需求管理工具的集成、團隊建模和技術支持等方面的優勢,而占據了行業的領先地位。

除了軟件功能,實施方法學也是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量好壞的差別,對于同一問題系統,模型存在最優解甚至標準解,如何提高建模質量就是方法學要解決的問題。No Magic公司的MBSE方法學是MagicGrid,是IBM Harmony、OOSEM等各家方法學和DoDAF、NAF等各家架構框架的綜合集成,為用戶提供無二義性的系統建模工作流程。