• 航天领域应用MBSE方法的思考和建议（上）
• 航天领域应用MBSE方法的思考和建议（下）

摘要：MBSE已经成为系统工程界研究与应用的热点，NASA、ESA在项目开发中都在探索和应用MBSE方法。近几年中国航天某总体单位以某型运载和卫星型号为试点，牵引探索MBSE研制模式转型，联合高校和知名企业建立了生态联盟联合实验室，推动MBSE的研究和应用。

编者注：基于模型的系统工程（MBSE）是从需求到产品架构的数字化架构设计技术流程和活动，包括相关过程、方法和工具的集合，为解决需求分析、功能分析和架构设计一致性问题提供了有效途径。中国航天科技集团有限公司开展了MBSE的学习、研究和探索实践，我们邀请技术专家撰写了MBSE系列文章，介绍实施方法、工具、国内外应用现状、工作难点和实施建议。本篇为中篇。

3 MBSE国外应用现状

MBSE已经成为最近几年系统工程界研究与应用的热点。NASA、ESA等政府组织和相关承包商在项目开发中都在探索和应用MBSE方法。

1） INCOSE

INCOSE发布了基于模型的系统工程（MBSE）技术发展路线图，系统描述了未来10年需要发展的各类技术及发展途径，重点关注MBSE核心理念、MBSE方法论等技术问题。通过改进MBSE方法论的技术手段，培养和提升应用MBSE方法和相关技术进行产品研制的能力，推动MBSE方法论与相关技术在型号研制中的应用落地。

INCOSE在航天领域开发了两个标准案例：FireSat（火灾卫星）和CubeSat（立方星）。FireSat项目的目的是探索MBSE应用于航天领域的可行性，说明MBSE在航天任务分析以及系统设计上的新价值，突出以模型为核心的参考架构，支持大范围的任务需求。立方星项目开发了立方星的SysML模型框架，包括飞行系统和地面系统的逻辑和物理架构模型，集成了仿真工具来执行基于SysML建立的行为模型，验证结果表明，应用MBSE方法可使规格缺陷降低超过60%。

2） NASA

NASA喷气推进实验室（JPL）制定了时间跨度为2009～2016 年的MBSE的应用发展战略，还提出了自主的“状态分析”方法论。JPL结合多个航天项目的研发，在航天全流程的不同阶段分别应用MBSE方法进行试点，取得了积极的应用效果。JPL归纳了MBSE应用成熟度过程，自评目前处于“采用MBSE”阶段，即将进入“完整MBSE”阶段。

▲图1 NASA JPL的MBSE应用范围

3） ESA

欧洲航天局（ESA）在MBSE标准和全生命周期应用方面做了系统性工作，致力于系统全生命周期数据一致性和基于模型的验证。较典型的应用包括虚拟飞行器环境工程（VSEE）、数据映射编辑器和空间系统数据库等，并提出了概念数据建模方法（FBM）。ESA在欧几里德航天项目中，应用MBSE方法和工具，建立了需求模型、架构模型、行为模型、验证模型等等，有效地解决了欧几里德任务所面临的问题。

▲图2 ESA欧几里德项目的需求-架构-行为-验证模型

4） MBSE生态圈

推动MBSE的落地应用，构筑方法、语言、标准和工具方面的生态环境是非常重要的基础。其中，INCOSE的SysML生态与Thales、西门子的Arcadia生态形成了两大主要的MBSE生态圈。INCOSE生态圈除均采用SysML这种统一的建模语言外，其方法、工具百花齐放，适用于从体系、系统、分系统、部组件的各种业务场景，但其发展有碎片化的倾向。Thales、西门子的生态圈以Arcadia方法、DSML语言和Capella工具作为主打，在工业产品的部组件领域占据了一定的份额。以OPL语言、OPM方法和OPCAT工具为核心所组成的ISO生态圈更侧重于在高校的学术研究案例和少量嵌入式系统应用，属于小众生态圈。

SysML生态圈与DSML生态圈就像手机界的安卓和iOS，二者各有其适应的业务范围，但彼此之间的工具、模型不易互通，兼容性较弱。在一些复杂装备的研制中，总体设计单位选用的可能是基于SysML的工具和标准，而协作配套的单机部件研制企业选用的可能是基于DSML的工具和标准，这会对基于MBSE的协同研制工作带来相关的问题。

4 MBSE国内应用现状

MBSE 近几年在国内也受到了广泛的关注，中国航天、航空、电子等行业纷纷拥抱 MBSE，并采购应用了相关的软件工具。

1） 航天某总体单位

国内航天企业在2015年前后陆续开展了对MBSE的探索应用工作。某总体设计单位强化全员MBSE战略共识，形成MBSE工作目标，组建MBSE核心团队，确立实施路径。通过与型号深度融合，以某型运载和卫星型号为试点牵引探索MBSE研制模式转型。该总体单位还联合高校和知名企业建立了生态联盟联合实验室，推动MBSE的研究和应用。

该单位参照MagicDraw（建模工具）提供的标准建模过程，对运载火箭总体设计过程进行初步的建模，采纳了由达索公司提出的RFLP设计框架，针对方法论中的每一个节点选取了SysML中建模元素来表达，形成一个可以完整描述运载火箭系统特性的模型，指导下游的物理实现设计。基于上述方法论，运载火箭系统架构设计从利益相关方分析开始，通过需求分析与设计，功能分析与设计，逻辑架构设计，将相关要求分解传递至分系统，建模过程如图3所示。

▲图3 运载火箭总体架构建模过程

此外，该单位还以某型号增压输送系统的研制工作为试点，开展了基于MBSE的可靠性应用研究，分别就可靠性指标分配与预计、FMEA/FTA、故障诊断与健康管理等方面的工作开展研究应用。通过在MBSE工具中集成Matlab工具插件，使产品设计师的产品设计与可靠性指标分配与预计融为一体，能显著降低可靠性分配与预计的技术门槛和工作量。利用MBSE工具自动生成FMEA/FTA一体化故障模型，可建立任意节点的故障树模型，支持可用于跨系统分析的故障树全局图。通过MBSE工具开发，实现了设计过程故障分析信息自动推送，并能一键自动生成故障分析报告。通过集成分析工具，基于模型，在非完备数据条件下进行故障网络路径概率分析，并自动生成基于统计推断的故障发生概率分析报告。

▲图4 MBSE方法在航天某型号的可靠性设计中的应用

经过数年的积累，该总体单位形成了参数化建模机制，构造了内容丰富的实例模板模型库，为MBSE进一步推广应用打下了良好的基础。

▲图5 航天某总体单位构建的系统模型与详设模型联动

2） 中航某研究所

中航工业、商飞等单位早在2008年就开始了MBSE探索。成立了系统工程推进办公室和专家组，发布了《MBSE方法论综述》。成立了由所领导和型号总师组成的领导决策组和由科研管理部、项目负责人、专业研究部、信息技术部等组成的推进管理组。

中航某研究所MBSE建设实现了系统工程业务过程覆盖，系统工程模型数据管理，需求驱动的全生命周期追踪，包括数据交换、技术状态控制在内的MBSE上下游协同。该研究所的MBSE推进工作分为3个阶段。在MBSE方法论导入阶段，重点研究MBSE理论、工具、项目导航，据此综合出最佳实践；在MBSE工程试点阶段，逐步形成标准规范、建模指南等一系列指导性文件；完成工程试点并进入型号推广阶段，在选定的新型号上逐步推广应用MBSE方法和工具。

该研究所在选择MBSE导航项目时，首选已完成的项目，这些项目涵盖了装备级（无人机运行环境、使用场景）、系统级（某系统的功能需求、功能模型化）、分系统级（某控制系统的逻辑建模仿真）和软件级（某监控系统）等各个主要层级。利用MBSE方法对项目进行复盘验证，与传统方法对照，可以更好地理解MBSE方法论，熟悉MBSE工具集，培养MBSE种子选手。经过应用分析，该所得出的结论是，MBSE方法应用在飞机研制中是可行和有效的。同时还有了意外的收获——发现了一些用传统方法尚未发现的问题和很晚才发现的问题。

在工程试点阶段，该研究所对某型飞机从系统、分系统到子系统开展多层级建模，模型涵盖了用例、活动、场景等，飞控、机电、航电三大专业联动开展MBSE工作，取得了明显的效果。在该阶段，试点团队参照Harmony-SE方法形成了自己的MBSE标准规范。

通过长期MBSE应用实践，该研究所认为：应用MBSE方法可以发现潜在的、用传统方法未必能发现的问题；可以发现用传统方法直到实物阶段才暴露出的问题。对于总体单位来说，MBSE在描述状态行为方面有明显优势；对于飞控、机电方面，MBSE在需求变更追踪、功能前期验证方面有明显优势。MBSE方法能够提升需求驱动的正向设计能力，减少歧义，持续验证，可缩短研制周期，降低正本。在推行MBSE初始的几年里会增加设计阶段的总工作量，但是从全局角度来看，会降低后期的反复所额外产生的工作量和成本。

5 当前实施MBSE碰到的主要难点

1） 思想与认识统一的难度

目前，对于MBSE的概念、定位和作用等的理解和认识在国内外还有较大的分歧。对于如何有效地实施应用MBSE，国内外均处于探索过程中。MBSE的实施可能会在发展战略、组织模式、业务流程、企业文化等方面形成一定程度的冲击，这是实施MBSE的早期所面临的主要挑战。

2） MBSE实施涉及范围广、协调难度大

MBSE方法能够发挥系统性优势和效果的前提是，要将MBSE涉及的系统工程规范标准、技术平台、工具和人员等要素集成为相互连通、逻辑闭合的整体，但这同时也是推广实施MBSE过程中的问题和难点。

3） 实现系统工程的标准化、规范化工作难度大

标准化与规范化的系统工程是实施MBSE的基础。当前规范的、指南性的系统工程运行标准尚不完善。系统工程标准化与规范化的不足成为制约 MBSE实施的重要瓶颈。

4） 实践案例的缺乏制约了MBSE的推广应用

虽然国内启动研究和推动MBSE已有多年，然而整体上都还处于探索和尝试阶段，成功的、具有普遍参考借鉴意义的实践案例较为少见。从国内外情况来看，MBSE方法论学术研究成果丰硕，但未形成基于MBSE方法的航天器型号研制体系，研究标准公开不多，型号实践公开的更少。MBSE建模仿真工具加速落地，但尚未形成一站式研制的平台，通用工具公开，专用的生态扩展不公开。国内实施MBSE的方法与工具主要还是对照国外的实施案例，缺少自主特色。

5） 案例覆盖性不足阻碍了MBSE综合优势体现

目前公开可见的MBSE案例绝大多数是在某些产品、某些专业、某些阶段上的单点式应用，很难见到关于MBSE方法在整个型号、全专业范围、全生命周期的完整应用，现有案例尚无法具象化以呈现全流程MBSE综合优势。这与INCOSE提出的“基于MBSE思想构造的系统架构模型应贯穿全生命周期”的基本理念还有一定的脱节，也令人对MBSE方法能否支撑起大型复杂装备全生命周期的系统工程建模工作产生疑虑，因而影响决策者的判断，阻碍MBSE的推广应用。

6） 综合基础的不足与企业文化的差异

MBSE首先在欧美提出，得到认可，并取得初步的试用成果，这是以欧美的思维方式、教育培训基础、项目管理运作模式、技术知识的共享与协作、企业文化积累与沉淀等因素为重要基础的。国内企业跨过了（或具有不同于）这些重要的综合性基础，而直接与MBSE方法论及其工具对接，带来了较多的困扰与问题。

7） 实施MBSE的初期将增加风险与成本

MBSE是一套新生的系统工程过程方法，实践人员需要应用MBSE方法从零开始构建完整的实施体系，这也是一个试错的过程，试错过程中存在的风险是 MBSE的组织机构和实践人员必须承担的成本。应用MBSE方法首先需要型号设计师学习一门与既有知识和经验大相径庭的形式化建模语言，同时要掌握和应用相关的方法论，以构建基于MBSE的全新研制体系。在当前型号任务压力沉重的情况下，这种高门槛会在无形中增加实践人员的畏难情绪和抵触心理，使得研究摸索时间难以得到保障。