MBSE：实现中国制造创新设计的使能技术探析(下)
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中国制造实施MBSE
3.1 实施MBSE 的挑战
MBSE 的实施是一项浩大的工程，并不容易，尤其是针对中国企业，信息化的水平与层次参差不齐，因此，实施 MBSE存在诸多挑战。
1）形式化的统一模型表示。MBSE 方法要求从需求开始即对设计的表示使用统一和规范的模型，这需要项目参与者熟悉相关的标准建模语言 SysML 和建模工具的使用。并要求设计人员拥有将设计知识从传统 Word、Excel 等工具的文字表达，抽象为模型表达的能力，尤其是要针对设计的非功能需求进行建模表示。或者要求相关的建模工具具有从Word、Excel 等文档转化为形式化模型统一表示的功能。
2）不同学科领域异构知识的统一理解。MBSE 在具体应用实施时，涉及机械、电子、液压、软件、控制等众多学科领域，不同学科领域的概念、术语并不相同，即使针对同一个对象，不同学科领域也可能使用不同术语。但在 MBSE 具体实施时不能因为所属专业领域的不同而产生信息和数据传递的误差。因此需要充分对不同领域的概念、术语的异构表示进行统一理解，防止模型转换过程中的信息缺失。
3）设计资源与流程的重新规划。MBSE 是对企业进行全新的信息化工业化，要求企业重新梳理所有的资源，为复杂产品的研制提供一个独特的模型驱动的系统工程工作环境。例如，由 SysML 等建模语言建造的系统模型是静态的，无法进行直接的仿真和验证。因此企业需要从自身面向的领域出发，建立设计模型到特定分析检验工具的模型转换和信息传递，实现设计和仿真检验的同步进行。此外，考虑到国内企业的应用，需要考虑设计工具的国产化、开发人员习惯和开发周期短等问题。
4）研发与实施费用。MBSE 的实施需要有软硬件的支持，需要对人员进行培训等，因此，费用会比较高，对一般企业来讲，这也将是一个挑战。
3.2 中国制造实施MBSE 方法
考虑到上述 MBSE 实施存在的诸多挑战，为减少企业MBSE 实施的风险，结合多年研究与分析，MBSE 的实施应该自顶向下，不可能一蹴而就，应采取分步实施的方法。具体地，可以分3步进行：
1）针对如前 IEEE1220 标准所述的系统工程的 4 个步骤即需求分析、系统功能分析、系统架构设计和系统验证，我们认为在 MBSE 实施的第一步应该主要针对前 3 个步骤展开。即主要工作是：
* 通过 MBSE 应用实施团队和企业研发人员的对接与沟通，实现对领域设计知识的 SysML 封装；
* 建立好需求模型、功能模型与架构模型；
* 建立好这三者之间的关联关系。
2）实施如前 IEEE1220 标准所述的系统工程的第 4 个步骤即系统验证。具体方法可以是在系统架构设计完成即得到系统架构模型后，通过模型映射的方法，由系统架构模型自动生成多领域统一的系统仿真模型，实现基于仿真的系统验证。
3）实施系统设计与产品设计过程中其他部分的集成，如系统设计与各专业领域详细设计的集成、系统设计与多学科多目标优化的集成。
以下分别详细讨论上述各步骤。
3.2.1 需求模型、功能模型与架构模型及其关联的实施
1）多视图需求模型
需求模型是整个产品设计的开始，不同的利益相关方如最终用户、系统设计师对需求的表达有不同的要求，因此，需求应该有多个视图，需要从不同视角进行查看。根据需要，需求模型的实施可分为以下3个层次展开：
* 条目化、表格式需求表达：将自然语言、文档式的用户需求转化为条目化、表格式的需求。这是需求模型建模的最基本要求，也是面向最终用户的需要和管理的需要。具体地，要能针对不同层次的对象如工程总体、各舱段、分系统、单机等的技术要求而展开需求的条目化工作。
* 任务功能指标体系的建立：通过对航天器运行事件的深入，对整个产品所需要的功能从逻辑上进行划分，建立一个系统的、完整的任务功能指标体系。
* 需求模型与功能模型的映射：在需求模型与功能模型间建立双向关联，以支持需求的变更在功能模型上能很快地反映；反向地，功能模型参数的调整也能反馈至需求模型上功能参数或性能参数的调整。
2）功能模型
功能模型是基于对需求的分析与理解，建立起来的能运行、可仿真以初步验证系统方案设计的仿真行为模型。可分以下3个层次展开：
* 混合集成式的全数字功能模型：针对功能仿真的需要，结合不同建模语言与工具的优势，建立全数字化、多学科的联合仿真行为模型。
* 硬件在环（HiL）的半实物仿真行为模型：在制作一定数量实物样机的前提下，建立全数字化功能驱动的半物理仿真与测试，基于此，完善修改数字化模型。
* 相关基础研究：主要是用来支持上述的全数字功能建模与仿真以及半实物的仿真两部分。具体可能包括：机电热控等专业基础库的建模与校验；分布式仿真与并行仿真；功能故障模型与仿真、仿真数据管理等。
3）架构模型
架构模型是在功能模型的基础上，建立的整个系统框架性模型，包含了系统在粗层次上对整个系统结构的逻辑划分、以及各个部分间接口。当然根据需要，也可以进一步地细化。具体包括：
* 系统架构组成模型。体现出系统由哪些构件、子系统组成。
* 内部接口关联模型。体现出子系统与构件间的接口与流信息。这里应该可以考虑航天系统的一些特别的因素，如 IDS 或广义 IDS。
* 外部关联模型。与功能模型及需求模型的双向关联；与其他模型如系统仿真模型、优化模型、详细设计模型等的关联。
3.2.2 系统验证的实施
基于 SysML 建立的系统设计模型可能非常复杂，很难基于静态的模型验证其正确性。仿真是自动验证模型正确性的一种常用手段，而多领域统一仿真建模语言 Modelica 的提出为复杂机电系统的仿真验证提供了强有力的支持。且SysML 与Modelica 语言均为面向对象语言，因此，存在着极多的相通之处。为此，已有学者研究提出将多领域统一建模设计语言SysML 与多领域统一仿真建模语言Modelica 相集成的方法，以支持SysML 模型的自动仿真。
具体地，可以基于模型转换的语言集成思路实现，其思想如图 3 所示。要实现模型转换，核心内容是定义源元模型和目标元模型以及它们之间的转换关系。之后，源模型便可以通过转换引擎转换到目标模型。转换后，即可基于支持Modelica 的平台如 Dymola、MapleSim 等进行多领域统一仿真，及早发现系统设计的不足。
图4 具体的模型转换平台
具体的模型转换平台如图 4 所示。目前佐治亚理工、浙江大学均在这方面进行了比较深入的工作，且已有相关的工具平台可使用。
3.2.3 系统设计与产品设计过程中其他部分集成的实施
系统设计作为航天器等复杂产品设计的起始阶段，不仅需要与系统仿真进行集成，还需要与后续的详细设计、多专业的系统优化、成本分析、可靠性分析等进行集成。使得航天器的系统设计结果不仅能达到最优，同时还能为后续的详细设计提供具体的指导。考虑到 SysML 强大的可扩展能力，通过在 SysML 中定义相关的信息，可以实现上述的集成。浙江大学已经在系统设计与详细设计集成、系统设计与系统优化集成等方面进行了比较深入的工作。
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开展MBSE 研究工作的建议
开展中国制造行业的 MBSE 研究与建设工作，本身就是一项复杂的系统工程。因此对制造企业开展MBSE 研究时一定要先用系统的、全局的观点来进行分析与设计，然后在对其进行综合、长远考虑的基础上，谨慎、坚实地迈出第一步。
具体建议如下：
1）建模语言、平台与合作团队方面。目前声称能支持MBSE 的语言很多，但被国际系统工程学会定为标准的系统建模语言却只有 SysML。客观地讲，SysML 在有很多如前所述的优点的同时，也还是存在一些缺点，如不支持直接仿真、不支持连续行为的建模等。
但它的优点更具优势：
* 能支持自顶向下的需求、分析、设计（结构、行为）、参数约束等的建模；
* 具有极强的扩展能力，且扩展后无需所支持的平台做任何修改。有了这些优点后，上述的缺点都不是问题了。
通过相应的语言扩展，可以十分方便地具备连续行为的建模能力、可以无缝与仿真平台实现集成即将装备产品系统设计的建模内容自动地转化多领域统一仿真所需的模型、可以建立多学科多专业的领域知识。
此外，虽然国外有几个 MBSE 平台，但如前所述，均存在自身缺陷，并不能完全满足国内制造行业自顶向下创新设计的需要，且所需服务也不一定能跟上。与传统的CAD 系统不同，复杂产品的多领域统一系统设计过程中涉及的内容更多。因而相比传统的 CAD 系统，MBSE 的应用实施更是一个服务的过程，需要有一个长期合作的团队，共同建立适合本公司MBSE 的相关知识库、研制流程与规范、研制方法等。
2）MBSE 近期与长期的建模目标与具体内容方面。如前所述，企业建立 MBSE 本身就是一个复杂的系统工程，不仅要有近期的建设目标，还要有远期愿景，制定详细的阶段性实施的具体内容。这里先不讨论远期愿景的内容，针对MBSE 近期目标的具体建模内容，首先要分析SysML 中9 大图的作用，并根据公司自身的需要，分别确定在公司实施MBSE过程中各图的应用。根据多年的实践，建议如图5所示。
3）行业高层设计知识的总结与封装方面。任何一个行业都会有其行业知识（俗称行话、术语），这些知识的层次也有高有低。在 MBSE 实施之时，应该针对高层的行业设计知识进行总结与封装，从而避免“企业人员讲企业的术语、而MBSE 实施人员则老讲 SysML 或 Modelica”的问题，应该先用SysML 表达好行业的高层设计知识，让行业设计人员仍然能用自己的语言表达其设计思想。本质上，SysML 并不难，而行业人员却觉得太抽象，核心问题就是因为工作割裂，没有进行知识的封装。
4）实施应用的起始点方面。虽然设计需求的来源可能不一，但一般的设计均是从需求开始，需求的管理、编辑是设计的基础。同时要注意需求的形式也要满足设计人员的习惯，并利用计算机处理的优势，给设计人员提供一些便利。
如：能方便地从 Word 中导入需求，因为一般人还是喜欢文档这种编辑工具；如设计人员还是喜欢表格式或文档式的需求方式，而不一定喜欢 SysML 提供的图表式需求。
5）系统设计人员真实需要方面。系统设计并不涉及太多的设计细节，主要是用于复杂产品系统前期的方案设计与论证等。而查看的主要对象是系统设计的总工或领导。因此，应该关注系统的结果输出，如要能自动生成系统设计文档，同时把系统设计的主要结果，如：总体组成图、构件连接图、关键参数约束图等插入。值得指出的是：整个平台最好要能完美支持汉化。目前国外平台在这部分均比较弱，相比较而言，Rhaphsody 比MagicDraw 更要弱一点。
6）设计自动性方面。要针对任何复杂产品做到系统设计的全自动，是十分困难的。但针对若干系列的复杂产品如航天器，尤其是功能不断改进与增强的产品，通过模板的建立，完成设计的自动性是可能的。设计自动性的重要意义还在于能给设计人员提供大量的可选方案，并固化大量的设计知识。
7）信息集成方面。与系统设计相关的部分还有很多，如系统仿真、系统优化、详细设计等，因此在实施 MBSE，一定考虑这些信息的集成，不能又形成一系列的“信息孤岛”。
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结 论
由于 MBSE 从需求开始就以模型表示，因而通过模型的形式化定义可以清晰地刻画产品设计初期在结构、功能与行为等各个方面的需求，可以及早模拟分析发现大量不合理的设计方案，同时模型还为各利益相关方提供了一个公共通用的、无二义性的设计信息交流工具。因此，MBSE 受到学术界和工业界的空前重视，目前发展很快，已成为制造业创新、进而提升为“智造”的重要使能技术。中国在制定《中国制造2025》中明确提出创新驱动的基本原则，MBSE 与之密切相关，将成为其实现的利器。目前国内学术界和工业界已进行了积极的探索，未来将进一步在 MBSE 的理论、方法、工具等方面取得突破。
#The End #
作者：刘玉生
图片来源：互联网
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