基于公理化设计的系统工程方法与MBSE模型体系

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1、基与MBSE模型体系米王昊琪。张旭(北京理工大学机械与车辆学院，北京100081)[摘要】对基于模型的系统工程MBSE方法及其建模体系进行了研究。在运用MBSE时，系统工程师所面临的挑战之一是如何对遇到的复杂工程问题进行分析，以及如何定义完整的系统模型。将公理化设计作为MBSE的理论基础，提出基于公理化设计的系统工程方法，同时建立对应的MBSE模型体系，为系统工程师完整定义复杂工程问题提供建模方法和模型框架。根据公理化设计中的设计域、设计公理和“z”字形映射过程，分别建立复杂系统的设计过程、模型分析和控制过程，以及设计过程中的信息反馈回路；同时建立对应的系统需求模型、功能架

2、构模型和物理实现架构模型，构成MBSE模型体系，从系统的、基于模型的角度为系统工程师提供一个描述工程问题的方法和完整视图。通过卫星电缆网设计验证文中所提出的观点，最后给出对应的结论和未来的研究工作。关键词：基于模型的系统工程；公理化设计；复杂产品建模DOI：10．16080巧．issnl671—833x．2016．13．094；鼍i秘瓦蕊王昊琪北京理工大学机械与车辆学院数字化制造研究所博士研究生，主要研究方向为先进制造与生产系统工程、CAD／CAM，基于模型的系统工程。+基金项目：同防基础科研资助项目(C0320110002)，．94航窄制造技术·2016年第13期在以飞机

3、和卫星为代表的复杂产品研制中，系统工程是广泛应用的一种研制方式，覆盖了从系统目标识别、系统功能分解到系统物理组成的构建等环节，目的是保证用户需求在系统的整个生命周期中都得到满足，且使经济效益最大化11-2]。随着数字化技术的发展，基于模型的系统工程(Model—BasedSystemEngineering，MBSE)成为系统工程发展的最新方向，强调将模型作为系统设计的核心131。近年来，国际领先的航空企业在积极推进系统工程和MBSE。空客公司在A350系列飞机的研制中采用MBSE，将需求逐步细化，并进行功能分析与设计综合，实现了系统级的需求分析、确认域验证；洛克希德·马丁公

4、司将MBSE应用于其需求管理和系统构建模型建立中，并与后续机械、电子和软件的设计与分析集成；波音公司建立了面向产品生命周期的MBSE过程，涵盖从概念设计到需求和生产等阶段，强调以需求定义、功能和行为集成、逻辑架构设计为核心14]o在国内，尤其是航空航天领域以及高校已经开展了大量研究与应用工作，形成了相对独立有效的研制方式口卅。其中，汤超等同通过Rhapsody方法指导民用飞机起落架系统的需求分析、功能分析和设计综合，使用SysML建立对应的系统模型，探索MBSE方法在民用飞机复杂系统中的指导作用，但是没有对系统模型的建立给出完整定义。景涛【81将基于模型的系统工程应用在飞机

5、作动器设计中，通过不同仿真分析软件，将产品的物理系统模型和控制系统模型耦合起来，形成作动器系统模型，对整个方案进行分析和优化，但在设计与分析过程中，对如何从需求分析到组件分解过程没有详细说明。葛立敏等一1介绍了MBSE在现代飞机航电系统中的应用，将基于模型的设计流程分为白盒分析和黑盒分析过程，共同明确系统实现，但该设计流程过分依赖SysML，对不了解此建模语言的设计师，适用率较低。LMS公司面向多电飞机及其智能控制系统的设计，研究系统级集成仿真解决方案，提出了支持MBSE的描述完整系统的“虚拟铁鸟”，在系统集成阶段早期，将物理模型和控制模型进行耦合，形成机电一体化的系统模型

6、[10I,“虚拟铁鸟”的实质是系统集成阶段的建模、仿真与分析，缺乏在系统设计初期对系统需求、功能和行为进行分析的过程，从而建立系统模型。MBSE在国内航空航天领域中的研究处于起步阶段。实际应用中，系统工程与MBSE只告诉工程师要做什么，以及利用模型来实现什么，而对实现方法的分析不充分。因此，当工程师对复杂问题进行分析和描述时，就会遇到两个方面的问题：一是用什么方法来分析复杂问题；二是如何完整定义分析结果。其中，分析方法提供解决复杂工程问题的思路和过程，而分析结果的完整定义保证后续系统研发的效率。这就说明缺乏面向复杂产品系统工程设计的结构完整理论，对系统级模型的构建并不充分，

7、尤其是在总体设计和概念方案设计阶段。造成这种现象的原因主要包括：(1)系统工程与现代设计理论结合不充分。系统设计过程是系统工程的核心，虽然其基本过程是进行反复分析、综合、试验和评价，但目前大多是以经验为基础的演绎、归纳过程，需要充分利用现代设计理论建立面向系统的设计过程。(2)在MBSE中缺乏对复杂系统描述的完整定义。MBSE强调以模型为核心来定义产品，在系统设计阶段所定义的模型既要支持对产品的需求、功能、行为、系统组成、关键参数等数据的描述，还要与后续的三维模型、分析仿真模型、加工装配模型等学科领域模型集成，并且