作者：陈进文 李利 钱志伟 江西洪都航空工业集团有限责任公司
导读：本文通过MBSE模型多维度分类、基于项目区域的MBSE模型组织方法、基于流的模型版本管理方法等技术研究，实现不同项目、异构分散的各类MBSE模型集中管理与共享，提高模型检索和共享的效率，促进基于模型的产品协同设计。
1前言
随着数字化技术的发展，基于模型的系统工程（Model Based System Engineering，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[1]。MBSE是解决复杂系统问题的有效手段，它改变了传统以文档方式传递信息的设计模式，通过可视化和图形化的系统模型更加清晰和准确地反映系统功能和行为[2]，在设计早期对方案和架构进行修正，从而有效地提升复杂系统的设计效率和质量。
经过多年的探索与实践，洪都公司已经在MBSE领域积累了宝贵的经验，实现多个型号全机需求管理，基于SysML语言[3]建立了飞机级、航电、飞控、环控、燃油等系统功能逻辑模型，基于Modelica语言[4]建立了起落架系统、环控系统多学科仿真模型库，形成了需求管理、系统定义、功能分析、架构设计、建模与仿真验证能力。但仍存在以下问题：
（1）项目研制过程中产生的MBSE模型大多存放在本地管理，缺乏统一的平台管理，如需求模型、需求模板等在需求管理软件中管理，功能模型、逻辑模型和物理特性模型在本地管理，模型检索和共享十分不便，同时未实现以项目为牵引的模型管理，增加了企业资源维护成本，模型管理与共享效率低。
（2）MBSE模型分散在各系统工程师的个人电脑上，缺乏对模型技术状态的控制，模型在同一项目、不同项目之间利用率不高，无法实现基于模型的同一项目区域内的多人协同，以及不同项目区域间的模型重用。
为解决上述问题，本文通过MBSE模型多维度分类、基于项目区域的MBSE模型组织方法、基于流的模型版本管理方法等技术研究，实现不同项目、异构分散的各类MBSE模型集中管理与共享，提高模型检索和共享的效率，促进基于模型的产品协同设计。
2 MBSE模型概述
本文提及的MBSE模型主要分为需求模型、功能模型、逻辑模型和物理特性模型，每类模型定义如下：
定义1需求模型是指所能处理的抽象级别完全或部分表达需求的模型[5]。
将需求模型定义为一个加权无环图G=（I，O，R）。其中I是图G的非空顶点集，由描述该需求模型的需求特征有限集构成；O∈I是图G的根节点，称为需求模型的根特征，需求模型的根特征是区别需求模型的唯一标识，主要用于描述与整个需求模型相关的信息，将需求模型G的根特征O记为Root（G），即O=Root（G）；R∈IxIxN构成图的加权边，表示图中各需求特征的相似度，式中N为自然数集合。图加权边的权w给出了需求模型内各需求特征之间语义相似度的值，将需求特征T1与T2之间的语义相似度记为Rw（T1，T2）。
定义2功能模型是指描述系统功能及其边界的系统“黑盒”模型，其可以通过功能架构图、用例图、活动图、顺序图等形式进行表达，用于支持功能性需求的捕获和分析[6]。
定义3逻辑模型是指描述系统逻辑组成及其数据流、控制流关系的“白盒”模型，其可以通过逻辑架构图、泳道图（白盒活动图）、时序图、状态机、功能流块图和数据流图等形式进行表达，用于支撑需求的捕获和分配[6]。
功能模型和逻辑模型可以描述为M=（S，E），其中S表示模型元素的集合，E是模型元素间关系的集合。模型对应的有向加权图即系统加权图可以描述为WG=（S，E，W），其中S和E与M中的S和E相同，W表示权重集，是E中关系元素所对应的关系强度。
定义4物理特性模型是指描述系统物理实现及其多学科物理特性的模型[7]，包括几何模型、力学模型、控制特性模型、电磁效应模型等不同类型，包括单学科和多学科物理特性仿真，用于支持需求和方案的权衡分析。
3 MBSE模型管理与共享技术研究
3.1 MBSE模型多维度分类方法
航空产品具有复杂的结构，不同的产品层级对应不同细粒度的MBSE模型，如系统级主要涉及到系统需求定义与分配、架构设计过程产生的模型，而子系统级、组件级则涉及到功能实现、物理设计过程产生的模型；从产品研制阶段来看，MBSE模型贯穿于产品研制阶段中的各个环节，不同的工程活动需对MBSE模型进行不断完善与维护；从产品架构视角来看，其是从需求、功能、逻辑到物理正向设计过程。因此，本文从产品层级、产品研制阶段和架构视图三个维度对MBSE模型进行分类，提出了基于产品层级、研制阶段与架构视图的模型多维度分类方法。
图1基于产品层级、研制阶段与架构视图的模型分类
（1）从产品层级维度对模型进行划分
图2将产品层级分为系统级、子系统级、组件级，图中的单向边代表一对多的关系。其中：
系统级是产品的结构组成，可能包含多个系统、子系统和组件，也可能只由一个简单的组件构成。系统级需求模型中l和m的取值为：{R(l,m)|l≥0,m≥0,l+m≥1}；功能模型中p和q的取值为：{F(p,q)|p≥0,q≥0,p+q≥1}；逻辑模型中u和v的取值为：{L(u,v)|u≥0,v≥0,u+v≥1}；物理特性模型中x和y的取值为：{P(x,y)|x≥0,y≥0,x+y≥1}；
子系统主要是由组件构成，是产品的基本组成单元，n、r、w和z的取值为：{(R(n),F(r),L(w),P(z))|n≥1,r≥1,w≥0,z≥0}（当w=0时，子系统级下的组件无逻辑架构，是构成子系统的最小单元，由组件满足子系统某些功能和性能要求；当z=0时，当前组件无需开展物理建模仿真分析）；
组件是由一系列需求、功能、逻辑和物理模型构建而成，是构成系统和子系统的基本单位。
图2产品层次结构
（2）从产品研制阶段维度对模型进行划分
军用航空器研制阶段分为论证阶段、工程研制阶段、列装定型阶段和批产/保障阶段。在论证阶段会产生需求模型、功能模型；在工程研制阶段，对基于同一项目产生的需求模型、功能模型进行细化分解，生成此项目逐步细化后的需求模型、功能模型、逻辑模型和物理特性模型等产品设计输出结果；在列装定型阶段更新维护同一项目内的需求模型、功能模型、逻辑模型和物理特性模型；批产/保障阶段更新维护同一项目内的需求模型。
图3基于产品研制阶段的模型分类
3.2基于项目区域的MBSE模型组织方法
图4中MBSE模型可以按照资源编号、所属领域、所属项目、研制阶段、所属系统等模型标签自由组合组织，如根据资源编号以产品需求模型库、功能模型库、逻辑模型库等方式组织模型实例，根据所属领域以航空、航天、兵器等方式组织模型实例，根据所属项目以归属不同项目来组织模型实例，以此类推；同时支持多个属性自由组合，如根据所属项目、研制阶段来展示不同项目下不同研制阶段对应的模型实例，根据所属项目、所属系统来展示不同项目下不同系统对应的模型实例等。
军用航空器研制以项目为牵引，项目研制过程中产生的模型主要以项目视图形式展示，故按照项目、研制阶段或者项目、系统形式组织，提高同一项目区域间模型管理与共享效率，同时能够实现不同项目区域间模型的“有偿性”、“可控性”共享，充分发挥模型价值。
图4 MBSE模型组织方式
3.3基于流的模型版本管理方法
图5为基于数据流的模型版本管理原理，为模型的多版本管理带来了极大的灵活性。一个流可以代表某个产品模型设计过程，到了产品某个阶段，可以基于当前的基线版本同时派生出若干条子流，子流可以代表着产品模型不同的版本，所属不同的团队或者不同的系统工程师，根据统一的模型基线，进行不同的模型设计，最后项目交付最优的模型。流之间可以进行比较，在某个流中发现的问题，可以在子流中完成问题归零，或者通过子流合并到父流中。
图5基于流的模型版本管理
图6为同一产品不同多状态之间模型版本演进过程，产品1（A状态）为产品1模型主流，在产品1（A状态）模型的基础上衍生出产品1（B状态）和产品1（C状态）模型。产品1（B状态）模型初始版本与产品1（A状态）版本一致，即v1.0，在v1.0基础上衍生出v2.0模型，并在Stream 1上衍生新的版本；产品1（C状态）在产品1（A状态）v1.0模型基础上，衍生出一条分支Stream 2，形成初始版本v1.0模型，在v1.0基础上衍生出v1.1模型，基于产品1（A状态）v1.2版本生成产品1（C状态）v1.2模型。
图6同一产品不同多状态之间模型版本演进
图7为不同产品之间模型版本演进过程，产品1（A状态）为产品1模型主流，在产品1（A状态）模型的基础上衍生出产品1（B状态）和产品2（A状态）模型。产品1（B状态）模型初始版本与产品1（A状态）版本一致，即v1.0，在v1.0基础上衍生出v2.0模型，并在Stream 1上衍生新的版本；产品2（A状态）在产品1（A状态）v1.1模型基础上，衍生出一条分支Stream 2，形成初始版本v1.0模型，在v1.0基础上衍生出v1.1模型，基于产品1（B状态）v2.1版本衍生出产品2（A状态）v1.2模型。
图7不同产品之间模型版本演进
3.4基于项目区域和流的模型共享机制
同一产品、不同产品之间模型共享方式见图8，产品1（A状态）对应模型的主流，产品1（B状态）为产品1（A状态）分流，模型所有者可以按照项目、流（对应基线）、单个版本设置模型对人员、组织、角色等共享。产品1（A状态）主流上所有版本模型默认都共享给人员1或者组织1或者角色1，产品1（B状态）对应流上某个版本（如v2.1）模型对人员1或者组织1或者角色1共享；产品2（A状态）对应流上所有版本模型默认共享给人员2或者组织2或者角色2，产品1（A状态）对应流上某个版本（如v1.1）模型对人员2或者组织2或者角色2共享。
图8同一产品、不同产品之间模型共享方式
图9为基于流程的产品模型共享方式，产品1某个研制流程中活动1输出物为模型（v1.0），对应产品1（A状态）Main Stream中模型（v1.0），活动1节点输出作为活动2节点的输入，通过流程执行实现模型共享，活动2输出物为模型（v2.0），对应产品1（B状态）Stream 1中模型（v2.0）。
图9基于流程的产品模型共享方式
4 MBSE模型管理与共享平台技术架构
图10中MBSE模型管理与共享平台由应用层、服务层和开发工具组成，使用一个通用数据库来存储模型。
应用层：工程设计人员和仿真分析人员操作界面，根据各自的权限向服务层和数据库发送请求，调用相应的设计工具加载模型。
服务层：基于微服务框架创建，提供流程建模、流程与模型关联、模型管理以及工具适配器等功能，并提供需求服务、系统设计服务和物理建模服务。
开发工具：主要包含需求分析与管理、系统功能逻辑架构设计、多物理建模与仿真分析等工具及模型管理平台，模型管理以主流数据库为驱动，统一存储和管理各开发工具的各种颗粒度的模型，为应用层和服务层提供数据服务。
图10 MBSE模型管理与共享平台的技术架构
5 MBSE模型管理与共享应用模式
图11为MBSE模型管理与共享之间关系图，通过模型检索、推送和基于流程推送三种方式实现模型共享给同一项目团队成员，基于流程的推送需要事先定义好流程与模型的关联关系；不同项目区域内，模型共享方式与同一项目区域类似，前提是先进行模型授权，实现模型在不同项目人员之间的共享。
图11模型管理与共享关系图
将MBSE模型统一上传到模型管理与共享平台中管理，基于工具适配器实现与MBSE设计环境的集成。各MBSE设计工具通过接口检索、加载模型，或者建立流程活动节点与模型资源关联，实现基于流程推送模型，开展MBSE设计工作。
图12 MBSE模型管理与共享应用模式
以XX项目、XX系统的需求捕获与分解流程为例，介绍模型共享两种方式。
（1）基于流程推送模型
在集成研发平台中定义需求捕获与分解流程，建立流程活动与相关模型的关联，如需求分析与定义活动与XX项目、XX系统需求关联。计划管理人员应用该流程模板分解任务，设计人员在接收到下发的需求分析与定义任务以及与该活动关联的需求模型，同时可以根据任务属性（如XX项目、XX系统等）或者关键词推送相关模型，在需求管理软件中打开推送的需求模型完成需求分析与定义工作。
（2）模型检索
在需求管理软件中开展需求分析与定义工作时，可以通过高级检索、全文检索等方式检索模型。如输入XX项目、XX系统等条件，在需求管理软件中通过接口检索需求模型，实现需求模型共享。
6结论
针对航空产品MBSE创新研制的需要，结合产品研制过程中对MBSE模型技术状态管理的需求，突破MBSE模型管理与共享技术，探索形成了一种基于项目区域和流的模型管理与共享应用模式，提出了一种MBSE模型管理与共享平台的技术架构，实现异构分散的MBSE模型集中管理与共享，能够提高模型检索和共享的效率，促进基于模型的产品协同设计。
[参考文献]
[1]朱静;杨晖;等.基于模型的系统工程概述[J].航空发动机,2016(04).
[2]ESTEFAN J A.Survey of modl-based systems engineering(MBSE)methodologies[R].INCOSE MBSE Focus Group,2008.
[3]蒋彩云，王维平，李群．SysML：一种新的系统建模语言[J]．系统仿真学报，2006.6，18（06）.
[4]Modelica Association.Modelica-A Unified Object-Orintd Language for Physical Systems Modeling-Language Specification[S]，2014.
[5]陈迎欣．一种需求模型的演化方法[J]．计算机仿真，2010.5，27（05）.
[6]郄永军.体系化推进系统工程、方法和工具平台在航空产品开发中的应用[J].航空制造技术，2014年18期.
[7]刘彬，张云勇.基于数字孪生模型的工业互联网应用[J].电信科学，2019年05期
转自公众号：PLM之神