第3章 基于模型的系统工程解决方案

3.1 业务挑战

复杂程度日益增加是产品发展的基本趋势之一。纵观航空、航天、国防、船舶、机车、汽车等各行业，其产品/系统已呈现出功能高度复杂、耦合关联、可重构、跨地域异地设计等诸多特点。与一般产品相比，复杂产品所带来的挑战是：不同领域的子系统间将产生不可预测的功能耦合、交叠甚至冲突，原本功能良好的子系统可能产生不可预测的行为。因此，针对复杂产品，在其概念设计阶段进行系统设计已成为不可缺少的重要一环。

以飞机的研制为例，飞机的开发经历了从物理样机驱动的开发流程到CAD驱动的开发流程的转变。然而，现在飞机设计又面临新的问题：一是因为飞机系统本身越来越复杂，特别是随着多电飞机的发展，越来越多采用智能控制系统。这就使得在传统飞机的开发流程中如何有效地考虑机电一体化系统开发，特别是在开发阶段如何综合地考虑控制系统和受控对象的耦合成为开发的关键之一。二是飞机开发的全球化使得要对来自不同地区不同研发部门或供应商的系统进行集成，特别是在设计早期如何通过系统集成确保飞机设计的成熟性成为全球飞机开发面临的棘手问题。以上第一个问题要求在飞机的开发过程中协调和同步物理系统与电控系统的开发以确保产品的质量；后一个问题就要求在横跨不同地区的部门之间无缝地共享产品方案、设计和分析以确保协同工作。这两方面问题的系统解决方案就是基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering，简称MBSE），即通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证，从概念设计阶段开始一直贯穿整个开发流程。

系统工程是基于模型的企业（MBE）的重要指导思想，基于模型的系统工程为基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护等MBE企业的关键活动提供了统一的协调接口，因而成为MBE企业研究和应用实践中的重要组成部分。

3.2 解决方案

基于文件的系统工程自20世纪40年代提出以来，对复杂产品的系统设计做出了重要贡献，有力地支持了复杂产品的系统设计。然而，随着产品系统复杂性的不断增加，尤其是异地分布式设计的出现，基于文件的系统工程已越来越无法满足要求，基于模型的系统工程（MBSE），或称系统驱动的产品开发（Systems-Driven Product Development，简称SDPD），正成为复杂产品系统设计的基础。

在国际系统工程学会（INCOSE）发布的系统工程2020年远景规划中，MBSE成为系统工程未来发展的重要方向，图3-1是2007年INCOSE年会发布的MBSE的发展路线图。需要指出的是，西门子工业软件是INCOSE组织的重要成员，特别是在MBSE动议和发展中一直发挥着重要作用。

MBSE通过应用模型来支持系统的需求定义、设计、分析、校核和验证。MBSE中的模型与MBD/MBM中的三维数字化模型属于不同的范畴，但在一定程度上可以实现模型间的信息传递。SysML是INCOSE和OMG（对象管理组织）在UML 2.0的基础上进行重用和面向系统工程的扩展而定义的新的系统建模语言标准，如图3-2所示，SysML对对象的定义主要通过其结构模型、行为模型、需求模型和参数模型来完成。其中，结构模型侧重于对系统的层次以及系统间不同对象的相互关联关系进行建模；行为模型主要针对基于功能的和基于状态的行为进行建模；需求模型强调用户需求的层次关系、需求间的追溯关系及设计对需求的满足情况等；参数模型主要强调系统或系统内部部件间的约束关系。MBD/MBM中模型的关键在于将产品的设计信息和制造信息共同定义到其三维数字化模型中，以完整地表达产品定义信息，将三维模型打造成产品研制活动中上下游间信息流转的载体。

为了更好地为客户提供基于系统工程的“V”模型闭环的系统驱动的产品开发支持，很多软件供应商都通过开发和收购的方式不断满足客户在MBSE方面的需求，如西门子收购了业界优秀软件LMS以完善自己对MBSE的支持：通过Teamcenter的系统工程模块实现对复杂系统的RFLP（Requirement、Function、Logical、Physical）支持。通过LMS产品提供多级复杂程度的建模理念，在概念设计阶段和详细设计阶段，分别对应有一维模型和三维模型，实现多级复杂程度的建模；其次，LMS在仿真和试验领域提供独特的解决方案，并将仿真和试验结合起来，在前期可以进行仿真，在后期可以进行试验，从而实现指标、建模、验证组成的闭环系统。

支持MBSE的相关软件，需要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，它将需求管理、体系架构、系统建模、系统仿真、系统虚拟验证、实物验证与其他产品和流程知识关联起来，将系统工程与产品全生命周期的管理融为一体，为跨领域、跨部门的复杂产品研制提供统一的信息化管理中枢。

基于模型的系统工程根据系统需求定义的功能来设计整体系统架构，根据该架构的定义，在设计的早期可以把物理系统的模型和控制系统的模型耦合起来建立机电一体化系统的模型，在系统模型的基础上对整体方案进行分析和优化并完成各个子系统的性能指标设定。随后在子系统开发阶段中，通过建立子系统进一步细化的模型，一方面可以审核子系统的性能是否满足系统设计阶段定义的性能指标；另一方面该子系统模型可以替代系统模型中的功能模型，从而可以在整个系统环境中对子系统进行优化。由于不同的部门都是在统一的架构下进行子系统的开发，因此来自于不同部门的子系统模型非常容易进行集成，完成系统的虚拟验证。在设计后期，随着不同部件或者子系统物理样机的出现，又可以将这些物理样机和虚拟的模型结合起来进行仿真，加速物理试验的进程。

1.基于PLM平台的集成化的系统工程环境

集成化的系统工程环境为系统工程和需求管理提供了完全整合的方法，如图3-3所示。在统一的平台上实现需求的解析和确立、功能架构、逻辑设计、物理设计、系统验证，实现系统驱动的产品开发，使企业可以从整体上把握价值链的上下游系统，帮助避免因需求与物理实现不符所导致的成本昂贵的后期系统集成问题。

基于IT支撑的集成化系统工程平台将产品的系统工程和全生命周期管理有机结合在一起，如图3-4所示。通过在设计流程早期全面理解产品或系统，使生命周期中所涉及的各个部门都能对整个系统有一个全面的了解，企业就可以利用所掌握的知识来更好地权衡影响具体设计、制造、销售、采购和服务决策的各种因素；同时将系统工程与执行联系起来，使参与生命周期流程中的每个人都能够在需要做出决定时从系统层面出发，做出符合初始战略意图的选择。

2.需求驱动的产品定义

结构化、集成化的需求管理为企业提供了统一、安全收集和管理客户之声的平台，这里的客户之声包括客户、合同、法规和企业自身标准等各方面的要求。通常的需求管理支持还要提供Live Integration功能。用户可以使用熟悉的Microsoft Office工具创建、编辑和维护需求，这些需求在需求管理环境中以结构化的方式体现。

集成的、结构化的需求管理环境可在整个生命周期内传达需求，将需求与功能、逻辑和物理实现相关联，将需求与项目管理、配置管理、变更管理相关联，需求管理将随着PLM应用的扩展而扩展，借助生命周期管理对需求进行全生命周期的跟踪。

基于需求的产品设计与验证集成环境还可以验证指标和行为的可行性。结构化的需求传递至CAD中成为MBD产品设计的需求源，基于HD3D的可视化业务智能环境，实现需求驱动的产品的设计和基于需求的设计验证。

3.基于模型的系统工程

基于模型系统工程的另一个关键领域是闭环的指标、建模、验证的支撑环境，它为产品开发提供了模型驱动的系统工程环境（见图3-5）。首先，它将系统建模、体系架构、系统仿真和需求管理与公司其余的产品和流程知识关联起来，支持企业对复杂产品的需求、子系统、约束条件和不同专业相结合（将机械设计、电子设计和软件设计综合起来）之后的交互关系进行建模和分析。其次，在产品开发的每一个阶段，无论是前期的架构设计，还是子系统设计，还是部件设计，都可以引入一个验证的环节，实现闭环的产品研发流程。这样形成的产品模型是一个多级复杂程度的模型，可用来实现不同设计阶段、不同专业的验证。

MBSE的闭环环境还需要支持基于SysML/UML的标准数据模型。通过Live Integration功能，实现与Visio图表工具的集成，支持对基于SysML/UML的标准建模工具的集成，实现嵌入式的模型数据管理。以PLM与Visio图表工具的集成为例，通过建立Visio模板库中图形构件与PLM中模型元素的映射关系，开发团队可以在Visio中从面向系统的角度（即从由电气、电子、软件和机械组件构成的跨域解决方案方面考虑）快速地图形化描述复杂的产品，建立构件间的接口及联接，系统中会相应地自动生成产品的体系架构。

基于PLM，结构化方式管理的需求被分配到同样结构化的功能架构中，实现特定需求与特定功能分解的关联，在此基础上对系统整体进行评估和决策。功能架构通过逻辑架构的定义进行实现，通常需要在功能分解的各个层面定义对应的逻辑模型，同时定义各个子系统间的关联关系。以电气系统为例，逻辑设计以图形化的方式定义各个设备的输入、输出，以及与其他设备间的接口关系。基于PLM可以在统一的平台上实现需求模型与功能模型、功能模型与逻辑模型的关联管理，建立产品的集成化架构，实现所谓的“模型网络”，支持产品的系统化决策。

通过此环境可以创建和运行多物理场（机、电、液、热、控等）仿真模型，以分析复杂的系统特性，并支持控制系统的设计，从早期的技术参数确定到子系统测试。也可以对工程设计问题进行综合，根据性能需求创建产品的架构，对不同技术方案以及配置进行综合的工况设定，驱动仿真并对结果进行后处理。

4.系统仿真和分析

虚拟的系统仿真和分析使产品团队可利用模型进行系统的优化设计，评估范围更广的设计方案，减少对物理原型的依赖，减少后期返工的时间和成本损失。通过将PLM与建模和仿真环境相结合，能够实现主系统和分系统多学科协同仿真，可以帮助用户解决从产品概念设计、方案设计到详细的需求设计，如机构设计与动力学分析、控制/传动/电动机驱动等机电系统设计、机电一体化分析、结构有限元分析、振动噪声分析、疲劳耐久性分析、结构优化、模态分析、模型修正、多学科优化等问题，使企业在虚拟世界中及早地进行产品验证，帮助企业监视系统的性能，评估权衡选项。如图3-6所示。

通过PLM可以集成多种仿真工具，如集成MathWorks公司的Matlab/Simulink （主流的多领域仿真和基于模型的设计工具），Maplesoft公司的MapleSim（主流的多领域建模和仿真工具），西门子工业软件的NX等。集成的重点在于通过PLM管理仿真工具的模型，当模型变更时，或者模型在多个产品或配置中被引用时，用户可以快速而准确地找到模型的正确版本进行设计验证。

在PLM中企业可以定义量化的系统性能指标，如重量、成本、功率、时间等。同时基于PLM与微软Office的Excel的Live Integration，用户可以在其熟悉的Excel电子表格中进行数据的编辑、操纵和卷积计算，为整个团队提供统一的性能指标视图，实现性能指标与系统架构的关联。企业可以及时地评估需求的变更对系统指标的影响，对权衡选项进行评估分析，保持系统与性能目标的匹配。

5.虚拟试验

虚拟振动试验涉及有限元建模、系统级NVH、多体动力学、控制与电磁系统仿真、刚柔耦合分析、机电一体化分析、试验相关性分析与模型修正、多学科优化等，并且需要将这些学科结合起来，是一个典型的多学科综合仿真问题，因此虚拟振动试验的软件实施环境应该是能够涵盖这些学科的系统级平台。多学科系统级平台的优点是一方面能够在一个平台中解决所有问题，并且能够进行多学科综合仿真；另一方面能够避免多学科综合过程中复杂的数据传递和转换，最大限度地避免数据和精度损失。

虚拟振动试验系统的构建有两种方式，一种是基于线性有限元方法的开环虚拟振动试验系统建模，主要是进行系统级振动分析；另一种是基于多体动力学和机电联合仿真的闭环虚拟振动试验系统建模，主要是进行机电耦合分析和刚柔耦合分析。两种方法可以结合起来，互为补充，应用在不同的场合下。

基于线性有限元方法的开环虚拟振动试验系统框架如图3-7所示，振动台和试件的模型都是有限元模型，其本质是复杂有限元装配模型的强迫振动响应分析，从图中可以看出各模块在线性有限元方法中所起的作用。

机电联合分析方法的系统框架如图3-8所示，此方法涉及运动、结构、相关性和控制、电磁等软件模块支持。

为了实现真实完整的闭环控制，振动台机械部分采用多体动力学方法建立模型。如使用西门子公司的AMESim模块可以使振动控制器和电磁助动部分均基于AMESim控制、电磁库以及液压库建立，通过AMESim与虚拟仿真的无缝集成接口，将振动控制和电磁部分与振动台实现闭环（见图3-9）。

3.3 价值定位

基于模型的系统工程为基于模型的工程、基于模型的制造、基于模型的维护等MBE企业的关键活动提供了统一的协调接口，是MBE企业研究和应用实践中的重要组成部分。集成、结构化和闭环的一体化环境可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。在早期的概念设计阶段，可以通过模型对需求本身进行建模，对需求进行细化，把需求分解到各个部件的性能指标上去；在详细设计阶段，通过相应的测试解决方案，测试物理样机是不是满足需求。在产品开发的“V”形体系中，对每一个阶段均提供相应的验证：需求的验证、架构的验证、产品性能的验证、物理样机的验证等。基于模型可以尽早通过模拟分析发现大量不合理的设计方案；同时模型还为各方提供了一个公共通用的、无二义性的设计信息交流工具，这一点对复杂产品异地分布的系统设计尤其具有重要意义。