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MBSE案例之变体配置与多方案比选

引言

系统设计指标的多维性决定了系统设计不存在唯一解或绝对最优解,系统工程师需要结合各类实际约束条件,在不同的设计指标之间进行综合考虑和权衡(有的指标之间存在互斥)。

一般的应对方法,是在系统前期方案设计阶段,针对系统需求拟定多种实现方案,并通过对不同方案的分析、对比,最终确定一种综合最优的方案继续详细设计。其中,变体管理与配置是系统多方案设计的手段之一。

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第1张

本文提供一种基于SysML建模工具实现系统变体配置、系统参数化分析以及多方案比选的实现思路,并通过案例进行说明。

该思路可服务于系统方案设计阶段的方案选型。

1 案例思路概述

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第2张

如上图所示,系统多方案设计和比选大致分为四个步骤:

  1. 确定系统方案架构
  2. 系统方案设计
  3. 系统方案评估(分析计算)
  4. 系统多方案对比

为实现上述四个步骤,我们需要建立:

  • 可定量验证的设计约束模型
  • 数字化系统架构模型
  • 计算分析模型
  • 支撑变体配置的变体模型
MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第3张

接下来,我们来看这些模型如何在SysML中创建。

2 设计约束模型创建

在此案例中,我们的设计任务是设计某种系统,系统需要满足如下设计约束:

  • 重量不超过100kg
  • 响应时间小于0.15ms
  • 价格不超过80w人民币
  • 所提供功率不小于1250kw
  • 噪声不高于60分贝

针对上述需求,我们需要构建需求的定量化描述模型,以便能够实现定量化验证,具体可通过SysML中的需求图和约束实现,如下图所示:

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第4张

3 系统架构模型创建

系统架构组成如下图所示,分为通信系统Communication System、控制系统Control System和动力系统Engine,各部分相应特征描述参数分别为:

1)Communication System

  • mass
  • noise
  • price

2)Control System

  • respond_time
  • mass
  • price

3)Engine

  • mass
  • power
  • price
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4 计算分析模型-参数图

此案例中,系统总体的特征参数都是由底层分系统计算而来,分系统参数值确定后,即可自动计算出系统总体参数。

因此,需要通过模型将该计算关系表征出来。这里,我们通过SysML中的参数图来实现。

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第6张

参数图运行后,结果可直接与定量化约束进行验证,直观显示需求的满足情况,如下图:

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第7张

需求自动验证图,颜色表示是否满足设计约束要求

5 变体的实现-Generalization relationship

SysML中提供了一种特殊的关系来实现变体-Generalization。

通过Generalization关系关联两个结构元素,可将其中一个元素(父级)的参数特性传递给另一个元素(子级);将多个结构元素关联到一个父级元素上,并给不同子元素的参数赋予不同值,就可以实现我们之前提到的变体的概念-同样的特征参数,不同的参数值。

具体到此案例中,我们通过如下方式实现子系统的变体,这些变体可供我们在系统方案设计时进行选配。

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MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第9张
MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第10张

6 多方案对比分析

系统的不同方案可以通过为系统创建多个instance实现,不同的instance中可以选择不同的分系统变体方案,从而形成不同的配置方案:

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第11张

系统Instance创建与配置

系统不同配置方案最终可以在一个table中显示、计算分析、对比和验证:

MBSE案例之变体配置与多方案比选 - 第12张

表中每一行代表一类配置方案,后面五列参数为该配置方案计算得到的参数值,红色标识的数字表示该数字不能满足约束要求。

(所以,由于参数设置问题,我们这个案例中所有的配置方案都没有满足前文中提到的设计约束要求。。。假设出现这种情况,后续我们就需要考虑其他方案,或者找到需求提出方,在指标合理性方面进行讨价还价了。。。)

7 小结&项目应用展望

本文提供了借助SysML建模工具实现系统变体配置、系统参数化分析以及多方案比选的实现思路,该思路可服务于系统方案设计阶段的方案选型。

该思路仅为变体与多方案比选的业务简化,在真实项目中应用需要考虑更多的因素,比如:

  • 真实系统更加复杂,模型复杂度更高,为保证系统模型逻辑的清晰完整,真实项目中需要提前对系统模型的组织方式提前进行规划,并随着项目演进在建模过程中进行必要调整;
  • 真实项目中变体配置的规则更复杂,相互之间往往存在一些依赖、冲突关系,而不是简单的元素排列组合,此部分有专门的软件工具实现,并可与SysML工具组合应用,此部分内容在此不做展开;
  • 参数图无法支撑所有的系统计算分析工作,更多时候需要集成脚本语言(Python, JAVA等)或第三方工具(如MATLAB, CAD, CAE等)。部分脚本分析语言及计算逻辑可以通过SysML活动图实现,第三方计算工具可通过数据接口文件集成(浅集成)或者软件工具集成(深度集成)实现;
  • 该案例分析仅涵盖了系统静态参数分析,关于系统动态运行的分析涉及更复杂的活动图、状态机图、时序图及其他第三方工具的综合应用,不做展开,将通过另一篇文章单独分析。
本文来源:数字化从业笔记。

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