MBSE流程介紹

1、1. 什么是MBSE？在2007年的INCOSE國際研討會(huì)上，INCOSE將MBSE定義為“對建模的形式化應(yīng)用，用來支持系統(tǒng)的需求、設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)活動(dòng)，這些活動(dòng)開始于概念設(shè)計(jì)階段并持續(xù)到整個(gè)開發(fā)和以后的壽命周期階段”。說白了MBSE實(shí)際上是一種系統(tǒng)工程理論的方法論，他改變了以前基于文檔的設(shè)計(jì)方法，而統(tǒng)一的基于模型的設(shè)計(jì)方法。因此系統(tǒng)模型是MBSE方法論單位主要工件，而系統(tǒng)模型也貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)制造活動(dòng)的整個(gè)生命周期。因此，如何建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型成為MBSE方法論的關(guān)鍵。2. MBSE工作流程是怎樣的？系統(tǒng)模型作為MBSE的主要工件，是系統(tǒng)詳細(xì)說明、設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證信息的根源，維持這些信息之

2、間的可追蹤性，需求或設(shè)計(jì)的任何更改都會(huì)反映在系統(tǒng)模型中。系統(tǒng)模型提供了將系統(tǒng)工程中所有內(nèi)容集成在一起的框架。系統(tǒng)模型在模型頂層與各學(xué)科領(lǐng)域模型建立連接，相關(guān)設(shè)計(jì)信息建立一一映射的關(guān)系，并通過集成工具實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)導(dǎo)入導(dǎo)出。要建立系統(tǒng)模型，首先需要一套建立模型的工具，現(xiàn)在用的最多的是SysML系統(tǒng)建模語言，本次以SysML建模語言為例，闡述我所理解的建立系統(tǒng)模型的大致流程。1) 明確利益相關(guān)者的期望，任務(wù)目標(biāo)和任務(wù)約束。當(dāng)我們接到一個(gè)航天器設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，首先要做的是明確利益相關(guān)者的期望，任務(wù)目標(biāo)和任務(wù)約束。這一階段通常是通過面談解決的。面談結(jié)束后，我們合并明確下來的每個(gè)利益相關(guān)者的期望（包括利益相關(guān)

3、者目標(biāo)和設(shè)計(jì)約束），獲得缺失的信息，并解決不同要求之間的矛盾，最后的結(jié)果是一組完整規(guī)定的運(yùn)行要求。2) 需求分析前面我們得出了利益相關(guān)者要求，為了進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要對這些要求進(jìn)行細(xì)化和形式化定義，得到系統(tǒng)要求。系統(tǒng)要求在系統(tǒng)工程中發(fā)揮著非常重要的最用，它們構(gòu)成了系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計(jì)活動(dòng)以及集成和驗(yàn)證活動(dòng)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)確認(rèn)和系統(tǒng)驗(yàn)收的參考，并提供了各種技術(shù)人員之間進(jìn)行交流之間的方式。不同于利益相關(guān)者要求，系統(tǒng)要求使用面向工程的技術(shù)語言表示，因?yàn)槠涿鞔_的、一致的、連貫的、詳細(xì)的和可驗(yàn)證的表示方式，系統(tǒng)要求對于架構(gòu)設(shè)計(jì)非常有用。需求分析說白了就是將利益相關(guān)者提出的需求和約束轉(zhuǎn)化成設(shè)計(jì)者所能理解的語言，將這

4、些語言轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)所要求的功能和約束。為后來的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的理論基礎(chǔ)。3) 系統(tǒng)方案分析設(shè)計(jì)。系統(tǒng)方案分析是對系統(tǒng)進(jìn)行客觀的定量評價(jià)，以便生成導(dǎo)出的工程數(shù)據(jù)和選擇最有效的系統(tǒng)架構(gòu)。沒有方案可以同時(shí)具有最佳的性能、最高的質(zhì)量和最低的成本，在工程設(shè)計(jì)過程中，對于每個(gè)技術(shù)選擇或決策都要進(jìn)行評價(jià)，以確定系統(tǒng)是否符合需求。（1） 建立系統(tǒng)主模型系統(tǒng)主模型形成的3個(gè)步驟和4個(gè)回路 要求分析負(fù)責(zé)把用戶的需求及外部環(huán)境的約束變換成系統(tǒng)要求。 功能分析與分配負(fù)責(zé)把系統(tǒng)要求變換成系統(tǒng)的功能, 并把功能分解為系統(tǒng)的一個(gè)一個(gè)的“小動(dòng)作” , 形成的文檔是功能架構(gòu)。 設(shè)計(jì)綜合, 則根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品及技術(shù)條件, 把功

5、能架構(gòu)“映射” 到物理架構(gòu)上, 完成設(shè)計(jì)過程。4個(gè)回路則負(fù)責(zé)把個(gè)步驟各自的產(chǎn)出和輸入進(jìn)行對比, 看是否匹配, 這個(gè)過程叫作驗(yàn)證。這其中,設(shè)計(jì)師要在功能架構(gòu)和物理架構(gòu)之間進(jìn)行多次的、雙方向的反復(fù)迭代, 直至所有的功能架構(gòu)和物理架構(gòu)都被試驗(yàn)過, 并且二者要一致, 這里包含了巨大的工作量系統(tǒng)工作過程運(yùn)用SysML的系統(tǒng)模型形成過程在MBSE方法中, 系統(tǒng)工程過程的每一步產(chǎn)生的不再是文本文檔, 而是用系統(tǒng)建模語言所構(gòu)建的模型在要求分析步驟產(chǎn)生要求圖、用例圖及包圖, 在功能分析與分配步驟產(chǎn)生順序圖、活動(dòng)圖及狀態(tài)機(jī)圖, 在設(shè)計(jì)綜合階段產(chǎn)生模塊定義圖、裝配圖及參數(shù)圖等。在系統(tǒng)不同層次反復(fù)應(yīng)用這一過程建模,可

6、以深入到系統(tǒng)最底層的元素, 把最底層元素的模型集成起來, 就形成了一個(gè)完整的系統(tǒng)架構(gòu)模型。在支持SysML的軟件中, 框圖所代表的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)庫中?？梢越柚煌邦w粒度” 的系統(tǒng)架構(gòu)模型來進(jìn)行可行性研究、備選方案研究等工作?？梢宰詣?dòng)生成相關(guān)文檔, 以供相關(guān)的決策者使用。（2） 利用MBSE進(jìn)行模型的詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)。在得到系統(tǒng)主模型之后，需要進(jìn)行航天器各系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，比如，機(jī)械系統(tǒng)、電路系統(tǒng)、力學(xué)性能等。各個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)師可以從建立的系統(tǒng)主模型中提取相關(guān)參數(shù)，然后利用本學(xué)科專業(yè)參數(shù)來進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并將分析的結(jié)果或修改后的模型及時(shí)反饋到主模型中。這樣就解決了不同工程師在分析研究同一

7、個(gè)部件，但他們所使用的術(shù)語、模型都不一樣，無法直接進(jìn)行交流和共同的問題。簡化了總體設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)工作。MBSE概念的提出，雖然改變了原有的協(xié)同設(shè)計(jì)模式，但各學(xué)科、各專業(yè)之間的協(xié)同仍然是靠人工來協(xié)調(diào)。為此，在MBSE的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前航天器研制模式，一方面，基于IDS統(tǒng)一數(shù)據(jù)源開展了總體一結(jié)構(gòu)一熱控協(xié)同設(shè)計(jì)，有效解決了傳統(tǒng)模式下人工協(xié)商多、復(fù)核復(fù)算多和設(shè)計(jì)精度難以保證的問題。另一方面，建立了基于多級骨架關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的并行機(jī)制，通過建立上下游專業(yè)設(shè)計(jì)對象之間、專業(yè)內(nèi)部設(shè)計(jì)對象之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)當(dāng)上游設(shè)計(jì)發(fā)生變化時(shí)，下游設(shè)計(jì)可以自動(dòng)更新，從而加快設(shè)計(jì)迭代周期，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。此外，在基于模型的跨專業(yè)協(xié)

8、同設(shè)計(jì)模式基礎(chǔ)上，提出了通過構(gòu)建模型信息規(guī)范化發(fā)布接口，將設(shè)計(jì)參數(shù)、三維模型、分析模型、控制接口、加工工藝等信息進(jìn)行發(fā)布的跨專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)工具集成模式，并基于該模式開發(fā)新工具、整合現(xiàn)有工具，形成協(xié)同模式下的總體總裝結(jié)構(gòu)熱控總體電路設(shè)計(jì)工具集，形成與工藝設(shè)計(jì)協(xié)同的信息接口，通過搭建協(xié)同數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)協(xié)同模式下跨專業(yè)模型的統(tǒng)一管理。4) MBSE在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造中的作用MBSE提出將基于模型的的思想貫穿于整個(gè)產(chǎn)品研制的全生命周期，因此衍生出基于模型定義（MBD）的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。MBSE提出將“基于模型”的思想貫穿于整個(gè)產(chǎn)品研制的全生命周期，但在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，傳統(tǒng)的數(shù)字化產(chǎn)品的定義是“二維+三維

9、”形式，即所建的三維模型僅僅作為幾何模型，而尺寸、公差、粗糙度、熱處理方法等工藝信息仍然在二維圖紙上表示，這就導(dǎo)致了在制造環(huán)節(jié)中仍然要以二維工程圖作為制造的唯一依據(jù)，整個(gè)的制造體系仍然為傳統(tǒng)的二維體系，這種產(chǎn)品定義模式無法保證產(chǎn)品定義唯一性?；谀Ｐ投x(ModelBased Definition，MBD)的數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)信息化的發(fā)展趨勢，它是將三維產(chǎn)品的制造信息與三維設(shè)計(jì)信息共同定義到產(chǎn)品的三維模型中，以改變目前三維模型和二維工程圖并存的局面，保證產(chǎn)品定義的唯一性。目前，國外MBD技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，其中的杰出代表波音公司，787型客機(jī)研制過程中，全面采用了MBD技術(shù)

10、，并將MBD模型作為制造的唯一依據(jù)，完全拋棄了二維工程圖樣。MBD技術(shù)并不是簡單地在三維模型上進(jìn)行標(biāo)注，而是通過一系列規(guī)范的方法更好地表達(dá)設(shè)計(jì)思想，以此打破“設(shè)計(jì)一制造”之間的隔閡，一方面，能容易地被設(shè)計(jì)人員所理解，另一方面，又能方便地被計(jì)算機(jī)處理。目前，在航天器研制過程中全面開展了全三維技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的二維加三維的數(shù)字化產(chǎn)品定義到基于MBD的全三維數(shù)字化產(chǎn)品定義方式轉(zhuǎn)變，。結(jié)合某遙感衛(wèi)星研制，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)板、總裝直屬件、電纜網(wǎng)三維模型下廠，為其他航天器研制積累了寶貴的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。5) MBSE在總裝集成、測試驗(yàn)證、產(chǎn)品驗(yàn)收中的作用還沒有找到資料，待補(bǔ)充·········3. 現(xiàn)階段MBSE方法應(yīng)解決的難點(diǎn) 如何建立準(zhǔn)確的，唯一的系統(tǒng)模型？現(xiàn)階段工程上建立的系統(tǒng)模型往往在驗(yàn)證的過程中需要大量的修改，這就造成了工作量大，耗費(fèi)資源