作者：陳進文 李利 錢志偉 江西洪都航空工業集團有限責任公司
導讀：本文通過MBSE模型多元度分類、基于項目區域的MBSE模型組織方法、基于流的模型版本管理方法等技術研究，實作不同項目、異構分散的各類MBSE模型集中管理與共享，提高模型檢索和共享的效率，促進基于模型的産品協同設計。
1前言
随着數字化技術的發展，基于模型的系統工程（Model Based System Engineering，MBSE）成為系統工程發展的最新方向，強調将模型作為系統設計的核心[1]。MBSE是解決複雜系統問題的有效手段，它改變了傳統以文檔方式傳遞資訊的設計模式，通過可視化和圖形化的系統模型更加清晰和準确地反映系統功能和行為[2]，在設計早期對方案和架構進行修正，進而有效地提升複雜系統的設計效率和品質。
經過多年的探索與實踐，洪都公司已經在MBSE領域積累了寶貴的經驗，實作多個型号全機需求管理，基于SysML語言[3]建立了飛機級、航電、飛控、環控、燃油等系統功能邏輯模型，基于Modelica語言[4]建立了起落架系統、環控系統多學科仿真模型庫，形成了需求管理、系統定義、功能分析、架構設計、模組化與仿真驗證能力。但仍存在以下問題：
（1）項目研制過程中産生的MBSE模型大多存放在本地管理，缺乏統一的平台管理，如需求模型、需求模闆等在需求管理軟體中管理，功能模型、邏輯模型和實體特性模型在本地管理，模型檢索和共享十分不便，同時未實作以項目為牽引的模型管理，增加了企業資源維護成本，模型管理與共享效率低。
（2）MBSE模型分散在各系統工程師的個人電腦上，缺乏對模型技術狀态的控制，模型在同一項目、不同項目之間使用率不高，無法實作基于模型的同一項目區域内的多人協同，以及不同項目區域間的模型重用。
為解決上述問題，本文通過MBSE模型多元度分類、基于項目區域的MBSE模型組織方法、基于流的模型版本管理方法等技術研究，實作不同項目、異構分散的各類MBSE模型集中管理與共享，提高模型檢索和共享的效率，促進基于模型的産品協同設計。
2 MBSE模型概述
本文提及的MBSE模型主要分為需求模型、功能模型、邏輯模型和實體特性模型，每類模型定義如下：
定義1需求模型是指所能處理的抽象級别完全或部分表達需求的模型[5]。
将需求模型定義為一個權重無環圖G=（I，O，R）。其中I是圖G的非空頂點集，由描述該需求模型的需求特征有限集構成；O∈I是圖G的根節點，稱為需求模型的根特征，需求模型的根特征是差別需求模型的唯一辨別，主要用于描述與整個需求模型相關的資訊，将需求模型G的根特征O記為Root（G），即O=Root（G）；R∈IxIxN構成圖的權重邊，表示圖中各需求特征的相似度，式中N為自然數集合。圖權重邊的權w給出了需求模型内各需求特征之間語義相似度的值，将需求特征T1與T2之間的語義相似度記為Rw（T1，T2）。
定義2功能模型是指描述系統功能及其邊界的系統“黑盒”模型，其可以通過功能架構圖、用例圖、活動圖、順序圖等形式進行表達，用于支援功能性需求的捕獲和分析[6]。
定義3邏輯模型是指描述系統邏輯組成及其資料流、控制流關系的“白盒”模型，其可以通過邏輯架構圖、泳道圖（白盒活動圖）、時序圖、狀态機、功能流塊圖和資料流圖等形式進行表達，用于支撐需求的捕獲和配置設定[6]。
功能模型和邏輯模型可以描述為M=（S，E），其中S表示模型元素的集合，E是模型元素間關系的集合。模型對應的有向權重圖即系統權重圖可以描述為WG=（S，E，W），其中S和E與M中的S和E相同，W表示權重集，是E中關系元素所對應的關系強度。
定義4實體特性模型是指描述系統實體實作及其多學科實體特性的模型[7]，包括幾何模型、力學模型、控制特性模型、電磁效應模型等不同類型，包括單學科和多學科實體特性仿真，用于支援需求和方案的權衡分析。
3 MBSE模型管理與共享技術研究
3.1 MBSE模型多元度分類方法
航空産品具有複雜的結構，不同的産品層級對應不同細粒度的MBSE模型，如系統級主要涉及到系統需求定義與配置設定、架構設計過程産生的模型，而子系統級、元件級則涉及到功能實作、實體設計過程産生的模型；從産品研制階段來看，MBSE模型貫穿于産品研制階段中的各個環節，不同的工程活動需對MBSE模型進行不斷完善與維護；從産品架構視角來看，其是從需求、功能、邏輯到實體正向設計過程。是以，本文從産品層級、産品研制階段和架構視圖三個次元對MBSE模型進行分類，提出了基于産品層級、研制階段與架構視圖的模型多元度分類方法。
圖1基于産品層級、研制階段與架構視圖的模型分類
（1）從産品層級次元對模型進行劃分
圖2将産品層級分為系統級、子系統級、元件級，圖中的單向邊代表一對多的關系。其中：
系統級是産品的結構組成，可能包含多個系統、子系統群組件，也可能隻由一個簡單的元件構成。系統級需求模型中l和m的取值為：{R(l,m)|l≥0,m≥0,l+m≥1}；功能模型中p和q的取值為：{F(p,q)|p≥0,q≥0,p+q≥1}；邏輯模型中u和v的取值為：{L(u,v)|u≥0,v≥0,u+v≥1}；實體特性模型中x和y的取值為：{P(x,y)|x≥0,y≥0,x+y≥1}；
子系統主要是由元件構成，是産品的基本組成單元，n、r、w和z的取值為：{(R(n),F(r),L(w),P(z))|n≥1,r≥1,w≥0,z≥0}（當w=0時，子系統級下的元件無邏輯架構，是構成子系統的最小單元，由元件滿足子系統某些功能和性能要求；當z=0時，目前元件無需開展實體模組化仿真分析）；
元件是由一系列需求、功能、邏輯和實體模型建構而成，是構成系統和子系統的基本機關。
圖2産品層次結構
（2）從産品研制階段次元對模型進行劃分
軍用航空器研制階段分為論證階段、工程研制階段、列裝定型階段和批産/保障階段。在論證階段會産生需求模型、功能模型；在工程研制階段，對基于同一項目産生的需求模型、功能模型進行細化分解，生成此項目逐漸細化後的需求模型、功能模型、邏輯模型和實體特性模型等産品設計輸出結果；在列裝定型階段更新維護同一項目内的需求模型、功能模型、邏輯模型和實體特性模型；批産/保障階段更新維護同一項目内的需求模型。
圖3基于産品研制階段的模型分類
3.2基于項目區域的MBSE模型組織方法
圖4中MBSE模型可以按照資源編号、所屬領域、所屬項目、研制階段、所屬系統等模型标簽自由組合組織，如根據資源編号以産品需求模型庫、功能模型庫、邏輯模型庫等方式組織模型執行個體，根據所屬領域以航空、航天、兵器等方式組織模型執行個體，根據所屬項目以歸屬不同項目來組織模型執行個體，以此類推；同時支援多個屬性自由組合，如根據所屬項目、研制階段來展示不同項目下不同研制階段對應的模型執行個體，根據所屬項目、所屬系統來展示不同項目下不同系統對應的模型執行個體等。
軍用航空器研制以項目為牽引，項目研制過程中産生的模型主要以項目視圖形式展示，故按照項目、研制階段或者項目、系統形式組織，提高同一項目區域間模型管理與共享效率，同時能夠實作不同項目區域間模型的“有償性”、“可控性”共享，充分發揮模型價值。
圖4 MBSE模型組織方式
3.3基于流的模型版本管理方法
圖5為基于資料流的模型版本管理原理，為模型的多版本管理帶來了極大的靈活性。一個流可以代表某個産品模型設計過程，到了産品某個階段，可以基于目前的基線版本同時派生出若幹條子流，子流可以代表着産品模型不同的版本，所屬不同的團隊或者不同的系統工程師，根據統一的模型基線，進行不同的模型設計，最後項目傳遞最優的模型。流之間可以進行比較，在某個流中發現的問題，可以在子流中完成問題歸零，或者通過子流合并到父流中。
圖5基于流的模型版本管理
圖6為同一産品不同多狀态之間模型版本演進過程，産品1（A狀态）為産品1模型主流，在産品1（A狀态）模型的基礎上衍生出産品1（B狀态）和産品1（C狀态）模型。産品1（B狀态）模型初始版本與産品1（A狀态）版本一緻，即v1.0，在v1.0基礎上衍生出v2.0模型，并在Stream 1上衍生新的版本；産品1（C狀态）在産品1（A狀态）v1.0模型基礎上，衍生出一條分支Stream 2，形成初始版本v1.0模型，在v1.0基礎上衍生出v1.1模型，基于産品1（A狀态）v1.2版本生成産品1（C狀态）v1.2模型。
圖6同一産品不同多狀态之間模型版本演進
圖7為不同産品之間模型版本演進過程，産品1（A狀态）為産品1模型主流，在産品1（A狀态）模型的基礎上衍生出産品1（B狀态）和産品2（A狀态）模型。産品1（B狀态）模型初始版本與産品1（A狀态）版本一緻，即v1.0，在v1.0基礎上衍生出v2.0模型，并在Stream 1上衍生新的版本；産品2（A狀态）在産品1（A狀态）v1.1模型基礎上，衍生出一條分支Stream 2，形成初始版本v1.0模型，在v1.0基礎上衍生出v1.1模型，基于産品1（B狀态）v2.1版本衍生出産品2（A狀态）v1.2模型。
圖7不同産品之間模型版本演進
3.4基于項目區域和流的模型共享機制
同一産品、不同産品之間模型共享方式見圖8，産品1（A狀态）對應模型的主流，産品1（B狀态）為産品1（A狀态）分流，模型所有者可以按照項目、流（對應基線）、單個版本設定模型對人員、組織、角色等共享。産品1（A狀态）主流上所有版本模型預設都共享給人員1或者組織1或者角色1，産品1（B狀态）對應流上某個版本（如v2.1）模型對人員1或者組織1或者角色1共享；産品2（A狀态）對應流上所有版本模型預設共享給人員2或者組織2或者角色2，産品1（A狀态）對應流上某個版本（如v1.1）模型對人員2或者組織2或者角色2共享。
圖8同一産品、不同産品之間模型共享方式
圖9為基于流程的産品模型共享方式，産品1某個研制流程中活動1輸出物為模型（v1.0），對應産品1（A狀态）Main Stream中模型（v1.0），活動1節點輸出作為活動2節點的輸入，通過流程執行實作模型共享，活動2輸出物為模型（v2.0），對應産品1（B狀态）Stream 1中模型（v2.0）。
圖9基于流程的産品模型共享方式
4 MBSE模型管理與共享平台技術架構
圖10中MBSE模型管理與共享平台由應用層、服務層和開發工具組成，使用一個通用資料庫來存儲模型。
應用層：工程設計人員和仿真分析人員操作界面，根據各自的權限向服務層和資料庫發送請求，調用相應的設計工具加載模型。
服務層：基于微服務架構建立，提供流程模組化、流程與模型關聯、模型管理以及工具擴充卡等功能，并提供需求服務、系統設計服務和實體模組化服務。
開發工具：主要包含需求分析與管理、系統功能邏輯架構設計、多實體模組化與仿真分析等工具及模型管理平台，模型管理以主流資料庫為驅動，統一存儲和管理各開發工具的各種顆粒度的模型，為應用層和服務層提供資料服務。
圖10 MBSE模型管理與共享平台的技術架構
5 MBSE模型管理與共享應用模式
圖11為MBSE模型管理與共享之間關系圖，通過模型檢索、推送和基于流程推送三種方式實作模型共享給同一項目團隊成員，基于流程的推送需要事先定義好流程與模型的關聯關系；不同項目區域内，模型共享方式與同一項目區域類似，前提是先進行模型授權，實作模型在不同項目人員之間的共享。
圖11模型管理與共享關系圖
将MBSE模型統一上傳到模型管理與共享平台中管理，基于工具擴充卡實作與MBSE設計環境的內建。各MBSE設計工具通過接口檢索、加載模型，或者建立流程活動節點與模型資源關聯，實作基于流程推送模型，開展MBSE設計工作。
圖12 MBSE模型管理與共享應用模式
以XX項目、XX系統的需求捕獲與分解流程為例，介紹模型共享兩種方式。
（1）基于流程推送模型
在內建研發平台中定義需求捕獲與分解流程，建立流程活動與相關模型的關聯，如需求分析與定義活動與XX項目、XX系統需求關聯。計劃管理人員應用該流程模闆分解任務，設計人員在接收到下發的需求分析與定義任務以及與該活動關聯的需求模型，同時可以根據任務屬性（如XX項目、XX系統等）或者關鍵詞推送相關模型，在需求管理軟體中打開推送的需求模型完成需求分析與定義工作。
（2）模型檢索
在需求管理軟體中開展需求分析與定義工作時，可以通過進階檢索、全文檢索等方式檢索模型。如輸入XX項目、XX系統等條件，在需求管理軟體中通過接口檢索需求模型，實作需求模型共享。
6結論
針對航空産品MBSE創新研制的需要，結合産品研制過程中對MBSE模型技術狀态管理的需求，突破MBSE模型管理與共享技術，探索形成了一種基于項目區域和流的模型管理與共享應用模式，提出了一種MBSE模型管理與共享平台的技術架構，實作異構分散的MBSE模型集中管理與共享，能夠提高模型檢索和共享的效率，促進基于模型的産品協同設計。
[參考文獻]
[1]朱靜;楊晖;等.基于模型的系統工程概述[J].航空發動機,2016(04).
[2]ESTEFAN J A.Survey of modl-based systems engineering(MBSE)methodologies[R].INCOSE MBSE Focus Group,2008.
[3]蔣彩雲，王維平，李群．SysML：一種新的系統模組化語言[J]．系統仿真學報，2006.6，18（06）.
[4]Modelica Association.Modelica-A Unified Object-Orintd Language for Physical Systems Modeling-Language Specification[S]，2014.
[5]陳迎欣．一種需求模型的演化方法[J]．計算機仿真，2010.5，27（05）.
[6]郄永軍.體系化推進系統工程、方法和工具平台在航空産品開發中的應用[J].航空制造技術，2014年18期.
[7]劉彬，張雲勇.基于數字孿生模型的工業網際網路應用[J].電信科學，2019年05期
轉自公衆号：PLM之神