基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）應(yīng)用于飛機(jī)概念設(shè)計(jì)探討

羅 松，魏榕祥，林資平，沈 亮，呂 婧

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）應(yīng)用于飛機(jī)概念設(shè)計(jì)探討

羅 松，魏榕祥，林資平，沈 亮，呂 婧

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

通過分析目前飛機(jī)概念設(shè)計(jì)中存在的問題和設(shè)計(jì)需求，引入基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），并根據(jù)歸納MBSE的流程、實(shí)現(xiàn)方法和應(yīng)用特點(diǎn)，分析了MBSE解決飛機(jī)概念設(shè)計(jì)問題的技術(shù)可行性，并指出了MBSE的發(fā)展趨勢(shì)及其應(yīng)用在技術(shù)、管理和思想等方面的諸多挑戰(zhàn)。

基于模型的系統(tǒng)工程；飛機(jī)概念設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)問題；應(yīng)用分析

0 引言

概念設(shè)計(jì)是飛機(jī)設(shè)計(jì)的初始階段，該過程涉及氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、電子、控制等眾多學(xué)科，同時(shí)包含大量的設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量和關(guān)聯(lián)約束，是一個(gè)需反復(fù)迭代、高度綜合的創(chuàng)造過程。該過程占用約8%的研制時(shí)間和不到10%的成本投入，但其做出的具有全局性影響的重大決策，卻確定了飛機(jī)約80%的全壽命成本。然而，當(dāng)前飛機(jī)設(shè)計(jì)師利用目前依據(jù)經(jīng)驗(yàn)、文檔的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)現(xiàn)代高度復(fù)雜的飛機(jī)系統(tǒng)顯得力不從心。美國AIAA將傳統(tǒng)飛機(jī)概念設(shè)計(jì)的問題概況為：概念設(shè)計(jì)的綜合程度低，不能充分利用概念設(shè)計(jì)階段的自由度來提高設(shè)計(jì)整體水平，也不能集成多學(xué)科實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化，更不能達(dá)到新增需求情況下的平衡設(shè)計(jì)。如何用更好的方法開展概念設(shè)計(jì)始終是飛機(jī)設(shè)計(jì)師關(guān)注的重要課題。

1 當(dāng)前概念設(shè)計(jì)需求分析

1.1 存在的問題

飛機(jī)研制存在的普遍現(xiàn)象是降性能、拖進(jìn)度、漲費(fèi)用，即使飛機(jī)按設(shè)計(jì)要求交付了，用戶在使用時(shí)也不滿意。這些都同飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中，特別是飛機(jī)概念設(shè)計(jì)的因素密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為概念設(shè)計(jì)中需求不明確、設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)差和綜合水平低等方面：

1)重方案，輕需求

我國航空工業(yè)起步晚，走過了仿制、引進(jìn)、再創(chuàng)新的發(fā)展道路，當(dāng)前對(duì)飛機(jī)的整個(gè)使用定義和使用需求的研究不夠，還沒有建立完整的正向設(shè)計(jì)能力；

2)設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性差

對(duì)需求、約束和矛盾的梳理不夠清晰、系統(tǒng)，缺乏清晰、系統(tǒng)的總體概念方案等頂層設(shè)計(jì)，導(dǎo)致方案設(shè)計(jì)推進(jìn)中常常顧此失彼，反復(fù)頻繁，研發(fā)周期漫長且不可控；

3)綜合水平低

對(duì)飛機(jī)復(fù)雜設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化程度低，“拍腦袋”決策多，設(shè)計(jì)水平或質(zhì)量不高；概念設(shè)計(jì)過程缺乏驗(yàn)證，難以保證方案總體上滿足設(shè)計(jì)要求。

同時(shí)，設(shè)計(jì)方案、數(shù)據(jù)以文字或圖片形式散落在數(shù)以千計(jì)的各類文檔中，設(shè)計(jì)師很難直觀、完整地把握，在查找與理解、變更與追溯、知識(shí)復(fù)用、狀態(tài)控制及評(píng)審決策等方面存在障礙。

1.2 概念設(shè)計(jì)的需求

為保證飛機(jī)整個(gè)設(shè)計(jì)的有效性、高效性和系統(tǒng)性，對(duì)概念設(shè)計(jì)提出了以下要求：

1)應(yīng)對(duì)復(fù)雜性

飛機(jī)設(shè)計(jì)各專業(yè)設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量大、相互間交互性復(fù)雜，且多學(xué)科專業(yè)之間參數(shù)交互性更為復(fù)雜，特別需要一種方法論及工具去直觀描述復(fù)雜系統(tǒng)特征，使在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，各參數(shù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，直觀地關(guān)聯(lián)，以減少繁復(fù)工作。

2)應(yīng)對(duì)需求多變

由于任務(wù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)復(fù)雜性、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異，在飛機(jī)長達(dá)數(shù)十年的研發(fā)周期里需求變更問題異常突出，因此需要飛機(jī)設(shè)計(jì)方法能及時(shí)響應(yīng)并有效應(yīng)對(duì)其需求變化，使得變更的影響清晰明了且相應(yīng)設(shè)計(jì)方案具有足夠的適應(yīng)性。

3)應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)龐雜

要有效提高設(shè)計(jì)效率，高效組織并展現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的龐雜數(shù)據(jù)則非常關(guān)鍵。比如多學(xué)科、多專業(yè)的設(shè)計(jì)協(xié)同需要數(shù)據(jù)的一致性，設(shè)計(jì)的復(fù)用和迭代需確保數(shù)據(jù)的可追溯性等。

2 解決方法—基于模型的系統(tǒng)工程

面對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)中的上述需求，作為解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的新方法——基于模型的系統(tǒng)工程方法，被普遍認(rèn)為是飛機(jī)概念設(shè)計(jì)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)最有效的解決方案。

2.1 MBSE及其實(shí)現(xiàn)

所謂基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是指“對(duì)系統(tǒng)工程活動(dòng)中建模方法的正式化、規(guī)范化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求，設(shè)計(jì)、分析、驗(yàn)證和確認(rèn)等活動(dòng)，這些活動(dòng)從概念設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有生命周期?！?/p>

系統(tǒng)工程在進(jìn)行飛機(jī)等復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)，采用正向設(shè)計(jì)過程，即從飛機(jī)所處環(huán)境的“外在行為”到“內(nèi)在功能”再到“物理構(gòu)造”的設(shè)計(jì)過程進(jìn)行展開。對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)過程是由需求分析、功能分析和設(shè)計(jì)綜合等3個(gè)相互依賴、反復(fù)迭代和遞歸的環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖1?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（MBSE）即是上述設(shè)計(jì)流程中不再使用自然語言描述，而是用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建可運(yùn)行的系統(tǒng)模型，對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)行為等進(jìn)行建模，通過構(gòu)建形象化的系統(tǒng)模型來表達(dá)系統(tǒng)邏輯、描述系統(tǒng)功能。如圖2所示，在需求分析中構(gòu)建需求圖、用例圖，在功能分析中構(gòu)建順序圖、活動(dòng)圖及狀態(tài)圖，在設(shè)計(jì)綜合中構(gòu)建塊圖、參數(shù)圖等。

下面以MBSE的需求分析和設(shè)計(jì)綜合等典型環(huán)節(jié)來說明這一過程。

需求分析是把用戶的需求及外部環(huán)境的約束變換成系統(tǒng)要求。MBSE需求分析是“黑盒”分析建模過程，如圖3，依據(jù)“運(yùn)行使用”創(chuàng)建飛機(jī)用例圖，根據(jù)用例圖創(chuàng)建黑盒活動(dòng)圖、黑盒順序圖、黑盒狀態(tài)圖等模型，并對(duì)模型進(jìn)行執(zhí)行，以產(chǎn)生和完善結(jié)構(gòu)化條目化的需求并確認(rèn)飛機(jī)需求的正確性與完整性。

設(shè)計(jì)綜合是通過功能分析和分配來構(gòu)建功能架構(gòu)，并根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，把功能架構(gòu)“映射”成物理架構(gòu)，從而完成具體方案的設(shè)計(jì)。MBSE設(shè)計(jì)綜合是“白盒”分析建模過程，把需求分析中獲得的黑盒活動(dòng)圖模型，按照選定的架構(gòu)打開黑盒，把飛機(jī)的各性能功能分配到系統(tǒng)，得到白盒活動(dòng)圖模型；依據(jù)白盒活動(dòng)圖設(shè)計(jì)得到白盒順序圖模型；根據(jù)白盒順序圖，識(shí)別系統(tǒng)間的交互關(guān)系和接口，建立白盒狀態(tài)圖模型，執(zhí)行模型完成驗(yàn)證，進(jìn)入下一個(gè)層次的迭代，直至完成整個(gè)飛機(jī)概念設(shè)計(jì)方案的定義，如圖4。

2.2 MBSE應(yīng)用分析

由上述過程可見，MBSE在飛機(jī)設(shè)計(jì)上同傳統(tǒng)方法有很大差別，主要特點(diǎn)可概括為：

1）在需求上，以需求為主線，并將需求與描述使用運(yùn)行場(chǎng)景的系統(tǒng)行為和結(jié)構(gòu)等模型相關(guān)聯(lián)，通過模型的多視角分析、關(guān)聯(lián)矩陣等，實(shí)現(xiàn)了需求同使用、需求同功能以及需求同模型的關(guān)聯(lián)，保證了需求能被完整地識(shí)別、分解以及同系統(tǒng)使用（功能）間的可追溯性；

2）在設(shè)計(jì)上，通過直觀的模型圖來描述系統(tǒng)運(yùn)行的行為和狀態(tài)等，并可通過系統(tǒng)模型的運(yùn)行來驗(yàn)證系統(tǒng)功能的完整性、協(xié)調(diào)性和正確性，在一開始設(shè)計(jì)就進(jìn)行驗(yàn)證和確認(rèn)，從而避免系統(tǒng)設(shè)計(jì)頂層錯(cuò)誤以及其對(duì)后續(xù)產(chǎn)生更大影響；

3）在方法上，基于模型的系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)了需求（模型）和系統(tǒng)模型的關(guān)聯(lián)互動(dòng)，通過不斷擴(kuò)充和展開描述系統(tǒng)的模型及其分析和運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正向、連續(xù)傳遞：以需求為脈絡(luò)，從用例分析（任務(wù)場(chǎng)景分析）→功能分析→架構(gòu)設(shè)計(jì)（功能的邏輯實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路徑和框架）→物理設(shè)計(jì)（邏輯架構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)），并且通過模型仿真運(yùn)行來不斷保證全過程需求的滿足性和設(shè)計(jì)的符合性。

高水平的設(shè)計(jì)是靠方法論和流程來保證，什么樣的方法和流程決定了什么樣的質(zhì)量和效率?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程方法能從根本上解決當(dāng)前國內(nèi)飛機(jī)概念設(shè)計(jì)過程中的主要問題。

首先，“重方案，輕需求”問題的根源是不了解飛機(jī)使用；而系統(tǒng)工程的正向設(shè)計(jì)要求一開始就要考慮飛機(jī)的任務(wù)運(yùn)行使用，并通過需求為主線的需求工程將需求貫徹到設(shè)計(jì)的方方面面，實(shí)現(xiàn)“需求驅(qū)動(dòng)”的飛機(jī)設(shè)計(jì)?！霸O(shè)計(jì)協(xié)調(diào)性差”主要是設(shè)計(jì)頂層上不能做到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的完整和協(xié)調(diào)；而MBSE實(shí)際上在數(shù)字世界里實(shí)現(xiàn)了使用-設(shè)計(jì)-使用的閉環(huán)，通過基于使用并描述系統(tǒng)功能、行為的一系列模型來“刻畫”整個(gè)系統(tǒng)，并在使用運(yùn)行環(huán)境下模型的仿真確認(rèn)，來推動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合優(yōu)化。

基于模型的系統(tǒng)工程建立了賽博世界（數(shù)字模型）同現(xiàn)實(shí)物理世界的橋梁，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)全過程的顯性化。這在產(chǎn)品復(fù)雜性、需求多變性和數(shù)據(jù)龐雜性的復(fù)雜系統(tǒng)工程開發(fā)中，真正實(shí)現(xiàn)了高效、綜合地運(yùn)用信息、系統(tǒng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣归_開發(fā)。研究其在飛機(jī)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，對(duì)提高飛機(jī)設(shè)計(jì)的整體水平、縮短研制周期和減少研制費(fèi)用都有重要意義。

3 應(yīng)用MBSE的挑戰(zhàn)

從理論及最佳實(shí)踐看，MBSE是解決當(dāng)前飛機(jī)概念設(shè)計(jì)中綜合、協(xié)同、需求等關(guān)鍵問題的最佳方案，其推廣應(yīng)用無疑會(huì)帶來飛機(jī)設(shè)計(jì)上的一次革命；但要全面建立基于MBSE型號(hào)研發(fā)新模式，在技術(shù)、管理和思想上都面臨巨大的挑戰(zhàn)。MBSE應(yīng)用尚處于探索階段，需要國內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)主動(dòng)融入國際主流，吸收成熟技術(shù)和方法，提升MBSE應(yīng)用水平。

在技術(shù)上，MBSE推廣應(yīng)用需要整個(gè)航空設(shè)計(jì)行業(yè)的共同努力，比如在系統(tǒng)建模的語言，需要學(xué)術(shù)界研究與工業(yè)界應(yīng)用形成統(tǒng)一的建模和分析標(biāo)準(zhǔn)，并由此建立統(tǒng)一接口的標(biāo)準(zhǔn)模型。這類似“蘋果IOS生態(tài)”下的APP資源，能在統(tǒng)一的架構(gòu)下擴(kuò)展應(yīng)用范圍以增強(qiáng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的“刻畫”能力。另外，系統(tǒng)建模語言（如SysML）迫切需要發(fā)展，以增強(qiáng)描述系統(tǒng)性能特性的能力，同時(shí)與之配套的工具也需要完善發(fā)展。

在管理上，系統(tǒng)描述方式從隱晦文字到直觀模型的轉(zhuǎn)變，使得信息的溝通和使用更為直接、清晰，信息的高效利用將使得我們的綜合和協(xié)作水平前所未有的提升。比如運(yùn)用需求工作包模式將使得復(fù)雜項(xiàng)目的組織更加開放和多元；設(shè)計(jì)過程中更多成熟技術(shù)的“固化”將使設(shè)計(jì)工作更加顯性化，從而更易于管理上的量化考核；知識(shí)高效復(fù)用也將使得設(shè)計(jì)工作更加高效、簡潔，從而使得研發(fā)投入更加關(guān)注其核心——用戶需求以及技術(shù)創(chuàng)新，這些底層生產(chǎn)力方面的變化必將導(dǎo)致組織管理層面的變革。例如實(shí)施正向設(shè)計(jì)過程，會(huì)帶來不同于按專業(yè)劃分的人員組織，需增加專門的需求分析師、架構(gòu)設(shè)計(jì)師等。

在思想上，“基于需求的設(shè)計(jì)”、“基于模型的設(shè)計(jì)”的設(shè)計(jì)理念，相對(duì)于當(dāng)前我們由跟隨、模仿長期積淀下來的——“一拿到工作腦袋就蹦出具體解決措施”、總體綜合習(xí)慣用“辯證法”“拍腦袋”做決定等松散、粗放的工程思維存在巨大差異?；蛟S我們無法理解：國產(chǎn)某商用飛機(jī)同國外某著名廠商進(jìn)行航電合作時(shí)，該廠商花了數(shù)年時(shí)間來梳理某航電設(shè)備的需求，而僅這些需求（不包含解決方案）在轉(zhuǎn)讓給中方時(shí)要價(jià)上千萬美元。這體現(xiàn)了底層思想的差異，而思維層面的差異會(huì)影響到我們工作的流程、方法和實(shí)施細(xì)節(jié)等方方面面。推廣MBSE還需要我們?nèi)?qiáng)化系統(tǒng)工程思想。

4 結(jié)語

從飛機(jī)研制的現(xiàn)實(shí)需求、技術(shù)發(fā)展、工程實(shí)踐來看，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向MBSE轉(zhuǎn)變是大勢(shì)所趨，也是迫切需要。MBSE不僅代表了系統(tǒng)工程的最新進(jìn)展，也是應(yīng)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)、面對(duì)不確定性設(shè)計(jì)和決策的公認(rèn)解決方案。MBSE的未來，既取決于理論研究，更取決于工程領(lǐng)域的應(yīng)用探索。在當(dāng)前飛機(jī)概念設(shè)計(jì)上推廣MBSE應(yīng)用，在思想、管理和技術(shù)上存在較大挑戰(zhàn)，國內(nèi)目前正處在積極探索階段。

[1]張新國譯，國際系統(tǒng)工程協(xié)會(huì)（INCOSE），系統(tǒng)工程手冊(cè)：系統(tǒng)生命周期流程和活動(dòng)指南（中英文對(duì)照）[M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013，10.

[2]張新國譯，基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）方法論綜述：中英文對(duì)照 [M]，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2014，10.

[3]王崑聲，等.國外基于模型的系統(tǒng)工程方法研究與實(shí)踐[J].中國航天,2012(11):52-57.

[4]孫煜,梁琰，馬力.基于模型的系統(tǒng)工程與SysML應(yīng)用研究 [J].信息系統(tǒng)工程,2012(10):114-118.

[5]毛寅軒,袁建華.基于模型系統(tǒng)工程方法研究與展望[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2014(4):71-75.

>>>作者簡介

羅松，男，1983年1月出生，2003年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)設(shè)計(jì)工作。

Study of the Application of Model based System Engineering in Aircraft Conceptual Design

Luo Song，Wei Rongxiang，Lin Ziping，Shen Liang，Lv Jing
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

By analyzing the existing problems and design requirements of aircraft conceptual design,the model based system engineering(MBSE)is introduced to solve the problem in a suitable way.Then by concluding the process, realization method and application characteristics of the MBSE,this paper analyzes the technology feasibility of MBSE to solve the aircraft conceptual design problem and points out the development trend of MBSE and the challenges of its application in technology,management and thought.

MBSE；Aircraft conceptual cesign；Design problem；Application analysis

2017-03-29）