基于模型的系統(tǒng)工程方法在導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)中應(yīng)用

胡京煜

摘要：闡述了傳統(tǒng)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中存在的問題，將基于模型的系統(tǒng)工程（ MBSE）方法引入導(dǎo)彈設(shè)計(jì)過程，歸納了MBSE的流程及實(shí)現(xiàn)途徑，分析了MBSE應(yīng)用在導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)中的可行性，給出了MBSE在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)的方法。實(shí)踐應(yīng)用表明，基于模型的系統(tǒng)工程能解決傳統(tǒng)導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)中的弊端，可大幅度提升導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)的水平。

關(guān)鍵詞：基于模型的系統(tǒng)工程（ MBSE）;導(dǎo)彈設(shè)計(jì);研發(fā)體系;多學(xué)科

中圖分類號(hào)：TJ760.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.065

1 概述

伴隨著導(dǎo)彈技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)經(jīng)歷了從單一學(xué)科到氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、電子、控制、通信等眾多學(xué)科高度綜合的過程。目前，各個(gè)導(dǎo)彈研究所主要是利用文檔方式進(jìn)行管理，設(shè)計(jì)的綜合程度低，無法實(shí)現(xiàn)多學(xué)科最優(yōu)化設(shè)計(jì)，如何采用更好的方法開展導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)是導(dǎo)彈設(shè)計(jì)師需要研究的重要課題。為了解決導(dǎo)彈設(shè)計(jì)的難題、提高研發(fā)效率，中國(guó)國(guó)內(nèi)外的工程技術(shù)人員開展了很多相關(guān)的研究。美國(guó)航空航天局（ NASA）積極推進(jìn)MBSE（ Model-Based SystemsEngineering）在飛機(jī).導(dǎo)彈領(lǐng)域中的應(yīng)用;中國(guó)國(guó)內(nèi)一些單位和研究機(jī)構(gòu)也已經(jīng)逐步開始應(yīng)用MBSE方法。

中國(guó)航天科工和科技集團(tuán)大力推進(jìn)MBSE在航天領(lǐng)域中的應(yīng)用，都成立了相應(yīng)的研究機(jī)構(gòu)，各總體單位也相應(yīng)成立了研究項(xiàng)目組。2010年，國(guó)家提出了加強(qiáng)基于信息系統(tǒng)的體系總體能力建設(shè)的重要戰(zhàn)略思想后，“頂層設(shè)計(jì)”和基于系統(tǒng)工程的總體體系建設(shè)，成為了中國(guó)裝備系統(tǒng)研制的主導(dǎo)思想。而MBSE方法是系統(tǒng)工程的重要組成部分，也是體系設(shè)計(jì)過程中所運(yùn)用的必不可少的重要工具。

在過去10年中，基于模型的分析設(shè)計(jì)方法已經(jīng)得到了普遍使用，并發(fā)展出一門新的學(xué)科?；谀Ｐ偷南到y(tǒng)工程（Model-Based Systems Engineering）與過去所說的系統(tǒng)工程不同，MBSE的重點(diǎn)圍繞著中央（頂層）系統(tǒng)模型，要求同時(shí)捕捉系統(tǒng)需求和滿足這些需求的設(shè)計(jì)決策。除了作為系統(tǒng)工程的知識(shí)庫(kù)之外，還可以通過模擬系統(tǒng)模型來進(jìn)行功能驗(yàn)證、性能研究和設(shè)計(jì)選擇。MBSE流程重點(diǎn)關(guān)注的是系統(tǒng)功能分析，即關(guān)注如何將功能要求轉(zhuǎn)換為一致的系統(tǒng)操作描述，然后通過操作系統(tǒng)來進(jìn)行分配各塊的端口和接口，從而成為了各子系統(tǒng)之間的相互切換的基礎(chǔ)。

2 需求分析

現(xiàn)代工程系統(tǒng)伴隨著技術(shù)精細(xì)化與管理思想的發(fā)展，復(fù)雜性迅速增長(zhǎng)，其軟件密集的特性越來越突出，單位成本急劇增加，研發(fā)組織中幾乎無人理解整個(gè)系統(tǒng)。這些特點(diǎn)都對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出了新的要求。具體表現(xiàn)如下：①導(dǎo)彈的各個(gè)系統(tǒng)已從分立式演變?yōu)楦叨染C合式，其參與單位達(dá)到幾十甚至上百家;②目前，中國(guó)國(guó)內(nèi)的導(dǎo)彈研究設(shè)計(jì)部門往往都是基于文檔（word、excel、pdf等）進(jìn)行管理，從而在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生了異常紛亂的紙質(zhì)文或電子文檔，由于這些信息保存在不同文檔中，而且有些單位還分散在不同部門，因此難以保證信息的完整性與連續(xù)性;③傳統(tǒng)設(shè)計(jì)重方案、輕需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開始前無法全面了解需求，無法形成以需求來牽引的研發(fā)流程，因而造成不斷反復(fù)的嚴(yán)重后果，浪費(fèi)了大量的人力、物力。

3 解決方案

針對(duì)當(dāng)前導(dǎo)彈研發(fā)中存在的問題，基于MBSE的系統(tǒng)開發(fā)體系提供了非常好的解決方案。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，通過建模語言進(jìn)行模型開發(fā)成為可能，因此，基于模型的系統(tǒng)工程MBSE（ Model-Based Systems Engineering）應(yīng)用而生，MBSE的出現(xiàn)是系統(tǒng)工程領(lǐng)域發(fā)展的里程碑。通過建模來支持導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)分析全過程，包括導(dǎo)彈的總體設(shè)計(jì)需求、CAD設(shè)計(jì)、CAE分析、最后的測(cè)試以及驗(yàn)證等。MBSE相對(duì)于傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了以文檔為中心向以模型為中心的轉(zhuǎn)變，如圖1所示。

3.1 MBSE的定義

2007年，在國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）的國(guó)際研討會(huì)上，正式提出了MBSE的定義。MBSE是對(duì)建模方法的形式化應(yīng)用，用建模方法支持系統(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)從概念性設(shè)計(jì)階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計(jì)開發(fā)以及后來的所有壽命周期階段。

從2007年提出定義開始，到目前為止，MBSE的理論逐漸走向成熟，在中國(guó)國(guó)內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，中國(guó)MBSE的應(yīng)用比發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚，但近年來在航空、航天、汽車方面得到了很大發(fā)展。

3.2 圖形化建模語言發(fā)展歷程

功能流圖（ FFBDs）是出現(xiàn)最早的建模語言，始于21世紀(jì)50年代，在經(jīng)典的系統(tǒng)工程中得到了廣泛應(yīng)用。功能流圖按功能分解方式顯示多層級(jí)，并根據(jù)邏輯和先后順序關(guān)系執(zhí)行。結(jié)構(gòu)化分析與設(shè)計(jì)（ SADT）始于21世紀(jì)60年代，采用由頂向下的分解方法，用于結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)、分析和需求定義。架構(gòu)分析和設(shè)計(jì)（ AADI）是一種標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)語言，主要用于對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)行建模，既可以用來進(jìn)行文檔設(shè)計(jì)，也可以用于分析和代碼編寫，形成程序。

統(tǒng)一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是軟件領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)建模語言，另外，有些軟件公司開發(fā)出了適宜于描述工程系統(tǒng)的系統(tǒng)建模語言（ SysML），軟件提供商也發(fā)展了支持SysML的工具系統(tǒng)，除此之外，將建模工具和CAD、CAE、CAM等專業(yè)的設(shè)計(jì)分析工具進(jìn)行了集成，形成統(tǒng)一的整體解決方案，具備實(shí)際應(yīng)用的可能性。目前，SysML是最重要的建模語言。

3.3 MBSE的特點(diǎn)

基于模型的系統(tǒng)工程的出現(xiàn)和發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)水平的大幅度提升，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程相比，MBSE方法有以下幾大特點(diǎn)。

3.3.1 模型為主的數(shù)字化設(shè)計(jì)

根據(jù)導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求.導(dǎo)彈設(shè)計(jì)工程師把這些要求轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)總體架構(gòu)模型，再將總體模型分解成各個(gè)分系統(tǒng)模型，然后分系統(tǒng)模型再分解成子系統(tǒng)模型，從而形成一套優(yōu)化、互動(dòng)、統(tǒng)一的模型。通過一個(gè)精確模型，可以實(shí)現(xiàn)模型的一致性、正確性和完整性，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

3.3.2 仿真驅(qū)動(dòng)的虛擬驗(yàn)證

目前，導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中虛擬仿真主要是針對(duì)單個(gè)專業(yè)、單個(gè)領(lǐng)域的仿真，比如氣動(dòng)專業(yè)，會(huì)用國(guó)外商用軟件flunet、cfx、fastran、cfd++、國(guó)內(nèi)高校自己研發(fā)的程序進(jìn)行仿真分析，而MBSE以統(tǒng)一模型為基礎(chǔ)，可進(jìn)行基于該模型的多學(xué)科（總體、流體、結(jié)構(gòu)、電器、控制、發(fā)動(dòng)機(jī)等）聯(lián)合建模仿真，工作平臺(tái)從單一的學(xué)科覆蓋到整個(gè)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)、全系統(tǒng)的仿真驗(yàn)證。

3.3.3 基于模型的“事前”驗(yàn)證

基于模型的系統(tǒng)工程方法，在導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)初期就可以在各個(gè)核心技術(shù)環(huán)節(jié)（比如需求分析、系統(tǒng)功能分析和設(shè)計(jì)綜合等）通過模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)需求及功能邏輯的驗(yàn)證和確認(rèn)，以便在導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)的初期，就將各部分定義正確，并在導(dǎo)彈整個(gè)設(shè)計(jì)和研發(fā)過程中不斷驗(yàn)證各部分功能、需求和模型是否正確。

3.4 MBSE的優(yōu)勢(shì)

基于模型的系統(tǒng)工程的出現(xiàn)和發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)水平的跨代升級(jí)，與傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程相比，MBSE有以下優(yōu)勢(shì)。

3.4.1 可復(fù)現(xiàn)，可重用

MBSE將導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)的描述由“基于文檔為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)椤盎谀Ｐ蜑橹行摹?，基于統(tǒng)一建模語言的導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)模型，可以被總體和各個(gè)分系統(tǒng)模型的工程技術(shù)人員所掌握，為有效溝通和協(xié)同奠定了良好基礎(chǔ)，并將通過軟件工具和集中統(tǒng)一平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，通過集中設(shè)計(jì)統(tǒng)一平臺(tái)使得整個(gè)過程可復(fù)現(xiàn)、可重用。

3.4.2 周期短，見效快

目前的導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)和分系統(tǒng)之間的關(guān)系以及分系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)系，通過“樣機(jī)試驗(yàn)找缺陷重新設(shè)計(jì)新樣機(jī)—再試驗(yàn)”的往復(fù)過程，從而導(dǎo)致導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)周期不斷拉長(zhǎng)，進(jìn)度被一拖再拖。MBSE基于模型，在統(tǒng)一平臺(tái)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，而且在每一個(gè)基于模型的小循環(huán)迭代、完善，也就是自己的問題自己解決，從而最大程度上加速了各階段需求的確認(rèn)和整個(gè)導(dǎo)彈總體系統(tǒng)方案的完善。

3.4.3 可追溯，可發(fā)展

現(xiàn)行的導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)，憑經(jīng)驗(yàn)，靠文檔，先設(shè)計(jì)，后驗(yàn)證。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，統(tǒng)一建模與整個(gè)系統(tǒng)仿真全面融人系統(tǒng)工程體系，出現(xiàn)了基于模型的新型系統(tǒng)工程框架（ MBSE）。

在可預(yù)見的不久的將來，MBSE還會(huì)與知識(shí)工程等深度融合，形成具備自感知、自分析、自決策、自適應(yīng)的智慧模型體系，并發(fā)展到更高的層面智慧研發(fā)。

3.4.4 早驗(yàn)證，早糾錯(cuò)

在導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)中，MBSE基于模型設(shè)計(jì)，早期對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤并予以糾正，避免糾錯(cuò)所產(chǎn)生的費(fèi)用，從而大大提高產(chǎn)品質(zhì)量并縮短總體設(shè)計(jì)周期。

3.4.5 協(xié)同好，效率高

MBSE建立的系統(tǒng)模型具備一致性與完整性。系統(tǒng)模型貫穿了整個(gè)工程全生命周期，包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與最終確認(rèn)過程，所有層級(jí)之間都可追溯，因而有助于整個(gè)研發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)同，大大提高工作效率。

4 MBSE應(yīng)用于導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)

基于MBSE的導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)，以模型庫(kù)（模型/參數(shù)）為基礎(chǔ)，主要包括兩個(gè)方面：①產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，包括整個(gè)總體需求定義、各個(gè)部分功能分析、物理設(shè)計(jì)等，主要是將導(dǎo)彈系統(tǒng)分解成分系統(tǒng)、子系統(tǒng)、部件、組件、零件等;②集成驗(yàn)證過程，是把導(dǎo)彈系統(tǒng)從零件、組件、部件、子系統(tǒng)、分系統(tǒng)到系統(tǒng)進(jìn)行分步集成、分析、試驗(yàn)、驗(yàn)證的過程，以保證每個(gè)層級(jí)都滿足需要，MBSE就是全面采用數(shù)字化模型在整個(gè)研發(fā)過程中開展工作的新型系統(tǒng)工程框架。其本質(zhì)就是將頂層的系統(tǒng)問題逐級(jí)分解成可以解決的各種各樣小問題，再研究制訂解決這些小問題的方案，最后將這些分解后的小問題解決方法逐層加入到整個(gè)系統(tǒng)中，最后再解決最頂層的問題。

基于MBSE導(dǎo)彈總體系統(tǒng)開發(fā)體系具體流程如下：①根據(jù)導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)需求及使用條件，識(shí)別需求和驗(yàn)證策略，遞交結(jié)構(gòu)化的需求，建立整個(gè)導(dǎo)彈研制過程的完整體系，輸出需求規(guī)范和應(yīng)用模型;②分析導(dǎo)彈系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)活動(dòng)，完成需求和功能邏輯的驗(yàn)證和確認(rèn)，輸出系統(tǒng)需要的功能模型;③選擇最好的架構(gòu)，基于模型進(jìn)行逐級(jí)分解，并執(zhí)行模型對(duì)需求進(jìn)行驗(yàn)證;④進(jìn)行多物理場(chǎng)統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真，實(shí)現(xiàn)功能（性能）樣機(jī)的協(xié)同。

5 結(jié)語

導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)正在向復(fù)雜化、系統(tǒng)化、智能化的方向發(fā)展，基于模型的系統(tǒng)工程（ MBSE）作為國(guó)際上先進(jìn)的思想和理念，成為了導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中提高產(chǎn)品質(zhì)量、加強(qiáng)創(chuàng)新能力、縮短研制周期的重要工具，目前，MBSE已在航空航天、兵器、船舶以及汽車等多個(gè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用，產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)效益，極大促進(jìn)了企業(yè)研制模式的升級(jí)及轉(zhuǎn)型。

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