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MBSE—系统工程(SE)和建模与仿真(M&S)的完美融合

01 概要

在航空器、航天器、舰艇、导弹、航母编队、空天系统等多个层次复杂工程中应用MBSE,不仅要理解系统工程(SE)的理念,更要掌握建模与仿真(Modeling and Simulation, M&S)技术,而且还要将SE与M&S融入工程相关的机电热磁控环等功能分支以及项目管理、质量控制、技术状态等业务分支,覆盖复杂产品和体系的全生命周期(从概念设计到工程、制造和运行使用等)的每个阶段,从而能够为决策提供有力的支持,进而扩展到数字样机、数字孪生等应用领域。

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图 1 日益复杂的系统

实施MBSE本身就是一个系统工程,不是简单地引进一些新工具就能自动地呈现出来优势,而是需要在用户需求和企业战略的指导下,通过组建几十到几百人的多学科团队,采用系统工程、项目管理、建模仿真等方法、手段,循序渐进地开展项目。

为了帮助读者理解安托解决方案的能力,本文尝试统一概念、明确思路、抛砖引玉,使读者找到解决问题的技术途径,为企业创造出更大的价值。

02 工程的定义

工程是一项创造性实践活动, 各种技术要素和诸多非技术要素按照特定目标及功能要求所形成的、完整的集成系统。工程活动的核心是构建出一个新的存在物,这也是工程活动的基本标志。

03 系统工程的含义

系统工程从需求出发,综合多种专业技术,通过分析、综合、试验和评价的反复迭代过程,开发出一个整体性能优化后的系统。系统工程本体是实现各学科沟通的桥梁,能够把每个产品或体系作为整体来理解,是Think about the end before the beginning(未雨绸缪,Omega Alpha Association的座右铭)。

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图 2 系统工程概念范畴

系统工程在工程中有很重要的地位,不过它的边界是模糊的,例如它包括设计,但是并不做设计的具体工作;它包括制造,但是也不做产品制造操作实施。系统工程包括产品全生命周期中各个阶段工作的管理,属于管理学科领域。系统工程实施的主体单位是型号或项目总体部门。

换句话说,系统工程解决方案并不能直接提出如何设计制造产品,而是先提供产品实施的通用平台,然后按照行业实践、项目实践、顾问经验等帮助客户快速确立平台的配置,无论是众多建模思路中的一个方法还是多种设计流程的某个特例,都是需要先明确服务于产品的迭代研制方法及这种方法的具体表达(平台)。所以掌握通用平台的功能和细节是持续的基础工作,代表着最底层的可能性;快速确立配置是交流总结后的工程优选,行业上的不同地位不同业务决定优选结果,是可能性的原型化,属于自己方案的概念模型。然后根据不同项目的需要,继续详细设计、实施、测试、交付、维护等工程内容。在项目结束后,一般才会构建出服务于产品的SE原型以及附加的M&S规则。

系统工程不是“复杂的工程”或“系统性的工程”的称号,不能把某个航天器重大工程叫做复杂的系统工程或把企业实施数字孪生当成是一项复杂的系统工程,一定要确立:系统工程不是工程本身,而是实施工程的方法、过程和手段。系统工程英文为Systems Engineering,也表达了Engineering是engineer的动名词,动词engineer包括策划、设计、建造、运行等过程,动名词表达实施过程的行为、方法以及相应的步骤、流程、程序。这和Electrical Engineering、Computer Engineering、Spacecraft Engineering等名词属性的“工程”有着本质区别。综上,某个航天器重大工程可以叫做首个使用MBSE方法的重大工程。

04 建模与仿真的含义

实际事物具有难以捉摸的复杂性,不易观察其变化基本规律,不易找到如何统一的对待办法。抽象是提取其主要共同特征,排除构成复杂性的非主要特征,并据此分类,对具有共同特征的一类事物采用相同办法对待。这个提取物就是区别于实际事物本身的所谓模型,而抽象的操作则称为建模。为不同目的建模其结果不同,例如,玩具模型是为了愉悦儿童,风洞模型是用于观察物体外形与流动气体之间的关系。模型是一个物理、数学或其他方式的逻辑表达,依托某种确定的形式(如文字、符号、图标、实物、数学公式等)提供关于系统的知识。建立模型的方法和过程则称为建模。

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图 3 各种类型的模型

正向系统开发是认识不断深化,系统逐步满足使用要求的递归逼近过程。人们不可能一开始就对系统所涉及的各种专业技术,各部分之间的信息、能量、物质交换关系,以及使用环境中的行为特点有清晰的认识,必须遵循认识论的“分析-实践-再分析-再实践”反复的认识过程。认识过程的具现化为需求分析、功能分析与分配、设计综合和设计验证,通常称为系统工程过程。而承担认识过程的主体为人和结果。无论是基于文档的传统系统工程还是基于模型的系统工程,都涉及到对原有实际事物的抽象建模,并不是原有的系统工程只有文档以及纸张,之前的工程项目只能使用文档进行系统需求分析和概念设计,其在概念建模、专业分析、三维设计、仿真工具上都大量应用,只不过描述模型的工具不统一、不规范,仅靠训练过的设计师去串起所有环节。

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图 4 基于模型的系统工程所具有的协同优势

明确模型是认知后,系统工程方法说明研究系统需要借用模型,有了模型需要进行运作,也就是仿真,根据仿真结果修改模型,再进行仿真,根据一系列仿真的结果,得出现有系统的调整,进而迭代系统设计、建造方案。这是系统工程研究解决实际问题的工作过程。无论何时的系统工程方法,都有这样的过程,只不过传统基于文档的结果传递和孤立的单学科单专业仿真无法快速迭代、提高复用率。

在解决系统问题时,项目一般构建两类模型:一是使用数学、物理、化学、材料、生物等知识,建立不同学科,不同领域以及跨学科的机理模型,二是在实验范围内用统计数学方法从大量实验数据中拟合得到的达标现有认知规律的唯象模型。体系层使用唯象模型多一些,更抽象一些,例如CEP模型或毁伤模型,VVA后的模型对装备有预言能力。系统层使用分解能力的机理模型更多,例如航天器在轨7年如何形成的,VVA后的模型对装备有描述能力。

05 MBSE

基于模型的系统工程(model based systems engineering,MBSE)是建模方法的形式化应用,以使建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动,这些活动从概念性设计阶段开始,持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段。

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图 5 MBSE典型的V模型

系统工程的管理可以管理流动、竞争,但是它管不了集成,集成有自己确定的、无歧义的规律。只有基于建模活动后的模型集成才可能以更高效率运用知识。遗憾的是支持设计知识集成的模型目前还缺乏纵观全局的研究。现状是各行各业都用自己的知识模型,这就使得在设计中,达到既要满足物质需求,又要满足精神需求和社会需求的知识集成目标变得非常困难。

概念模型是对真实世界的第一次抽象,是构建后续模型和制造新存在物的基本参照对象,包含数学模型、图表模型、逻辑模型、实物模型等。INCOSE定义的MBSE,旨在进一步强调和突出概念模型在系统工程中的地位和作用,把原来文本化的需求、概念设计转变为基于SysML的概念模型,只是运行的形态发生了部分变化,最大的区别体现于工具、效率的不同,进而导致组织、流程的变革,其实并没有引起系统工程本质的变化。

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图 6 从概念模型进化为真实产品

只是随着M&S向全系统、全过程、全方位的发展,MBSE必然贯穿于系统的全生命周期,当然在解决系统问题的不同阶段还必然需要各学科、各专业的建模与仿真工具,但各学科、各专业的建模过程将统一规则、快速迭代、提高模型复用度,提高系统需求分析、设计、验证与确认的效率。如果没有外部刺激或顶层规划,概念模型的构建是没有动力的,新的需求分析、设计工具对系统工程师、内部人员乃至用户都提出了更高的要求,利益相关方都必须掌握SysML便于沟通,势必增加系统投资和学习培训压力,对总体人员还好,对专业设计师是很苛刻的要求。如果专业设计师看不懂SysML,明确需求、提高沟通交流效率的出发点是不成立的,更别谈模型的数字连续了。

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图 7 以模型为基础的系统仿真验证

扩展来说,数字孪生能够获悉、知晓装备在运行使用中的健康状态,进而在虚拟环境下仿真、试验,得出对装备未来行为、状态、决策结果的预测性结论,传感器、互联网、AI技术发展加速了数据获取、分发、决策的速度,虚实双向关联、互动已成为用户期望的及时准确装备维护、使用活动的标配。数字孪生离不开建模与仿真技术,而大而全的建模与仿真技术是MBSE的基石和出发点。数字孪生必将脱胎于MBSE技术体系,成为其有机组成。

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图 8 数字孪生示意

原有的系统工程过程已经很好的厂所,无需建设一个全新的系统,而是在已有信息系统上增加新功能或局部改造已有的某个系统,循序渐进,确保MBSE建造过程不影响现有系统的正常运行。一般来说,安托建议在补充概念模型的基础上,充分考虑性能、费用、进度和风险等因素,进行业务需求梳理、过程再造、组织形式设计等工作,把分散在各处的多学科项目团队人员协同起来,使用建模与仿真手段,通过流程和数字量传递的承载形式,力争MBSE系统的设计、建造目标一次成功。

综上,MBSE是SE与M&S融合发展的阶段产物,没有M&S的支持,SE则很难发挥其应用的作用,同样,没有M&S和SE的支撑,MBSE则失去了理论和实践基础。MBSE不受制于系统处于什么阶段,原有模型不会被抛弃,需要补充的是概念模型。无论MagicGrid用的SysML还是DoDAF用的UPDM,都是描述简化、抽象后的系统概念模型,在算力支撑下进行多次仿真试验,从而进一步了解系统的功能、结构和行为。SysML只是实施MBSE的起点,而非终点。

06 惊喜彩蛋

安托MBSE在线研讨会

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①课程目标

基于达索系统MBSE产品解决方案,结合安托公司工程实践案例,讲解面向工程研发的MBSE落地部署解决方案。

②直播主题

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2022年6月30日-8月11日 19:30-20:30

第一讲:基于模型的系统架构设计的工程应用过程是什么样的?

第二讲:基于模型的系统架构设计的工程应用难点是什么?

第三讲:基于模型的系统架构设计的工程实践流程是什么样的?

第四讲:基于模型的系统架构设计协同建模流程是什么样的?

第五讲:系统架构设计与系统仿真是如何协同的?

第六讲:基于模型的系统架构模型管控流程是什么样的?

第七讲:基于模型的系统工程如何支撑数字样机、并行孪生等应用?

③团队简介

安托集团系统工程团队依托安托在航空、航天领域积累的多年研发设计经验,率先在多家航空、航天、船舶、高科技企业部署达索的MBSE解决方案,通过不断的部署和支持MBSE工程化应用,积累了丰富的MBSE可落地、可实践的经验。

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本文来源:安托集团,作者:系统工程部 。

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