基于模型的系統(tǒng)工程在航天產(chǎn)品研發(fā)中的研究與實踐

張 兵，陳建偉，楊 亮，肖 進

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

錢學森在《組織管理的技術(shù)——系統(tǒng)工程》中闡述了系統(tǒng)工程的定義，指出系統(tǒng)工程是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學方法。

航天產(chǎn)品是典型的復(fù)雜巨系統(tǒng)，其研制過程遵循系統(tǒng)工程方法。但是，隨著航天產(chǎn)品的系統(tǒng)復(fù)雜度與集成難度越來越高，專業(yè)間耦合更加緊密，使得總體、分系統(tǒng)、單機之間指標與接口的迭代更頻繁，開展系統(tǒng)方案的設(shè)計與優(yōu)化難度更大，傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程方法亟需融合新技術(shù)、新手段完成升級重塑。基于模型的系統(tǒng)工程(Model-Based System Engineering，MBSE)作為一種基于模型的綜合化方法，主要通過形式化的建模方法和標準化的建模語言構(gòu)建包括需求模型、架構(gòu)模型、仿真模型等在內(nèi)的一系列模型，實現(xiàn)“需求→功能→邏輯→物理架構(gòu)”的層層分解和分配。通過建模與仿真實現(xiàn)需求、功能、邏輯和物理架構(gòu)的“檢驗”和“確認”，并驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計、實現(xiàn)、測試、綜合、驗證和確認等環(huán)節(jié)。MBSE通過“系統(tǒng)模型可驗證”的極大優(yōu)勢可以在項目早期通過仿真驗證來減少實物驗證出現(xiàn)的問題，極大地提高了產(chǎn)品研發(fā)效率和質(zhì)量，同時降低研發(fā)成本和風險，使得MBSE逐漸成為復(fù)雜系統(tǒng)研發(fā)的必由之路。

本文在對MBSE概念及發(fā)展現(xiàn)狀分析基礎(chǔ)上，深入剖析了MBSE的技術(shù)內(nèi)涵，并從流程、方法與工具3個方面，詳細介紹了北京宇航系統(tǒng)工程研究所的航天產(chǎn)品MBSE技術(shù)研究與工程探索情況，并提出了MBSE技術(shù)與航天產(chǎn)品研制融合的思考與建議，為后續(xù)開展基于模型的航天產(chǎn)品數(shù)字化研制體系構(gòu)建與研制模式轉(zhuǎn)型升級提供參考。

1 MBSE概念

2007年，國際系統(tǒng)工程學會(International Council on Systems Engineering, INCOSE)在《系統(tǒng)工程2020年愿景》中首次給出了MBSE定義：基于模型的系統(tǒng)工程是對系統(tǒng)工程活動中建模方法應(yīng)用的正式認同，以使建模方法支持系統(tǒng)要求、設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計開發(fā)以及后來的所有的生命周期階段。

目前，模型驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計方法在機械、電子、軟件等領(lǐng)域已經(jīng)得到了應(yīng)用，形成了基于模型的定義(MBD)、電子設(shè)計自動化(EDA)以及模型驅(qū)動架構(gòu)(MDA)等設(shè)計模式。通過借鑒機械、電氣、軟件等領(lǐng)域的模型驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)的思想與優(yōu)點，MBSE將傳統(tǒng)系統(tǒng)工程理論與先進數(shù)字化技術(shù)充分結(jié)合，在方案初期便引入需求模型、架構(gòu)模型等，替代研制需求、設(shè)計方案等傳統(tǒng)設(shè)計載體，在詳細設(shè)計、制造工藝以及試驗測試評估等階段，結(jié)合當前設(shè)計模式，構(gòu)建CAD三維模型、電路電氣模型、CAE仿真模型等，最終形成貫穿產(chǎn)品各研制環(huán)節(jié)的模型體系(見圖1)，使產(chǎn)品在正式試驗前能夠得到充分的驗證，將設(shè)計質(zhì)量缺陷盡可能多地提前暴露并消除。

圖1 基于模型的系統(tǒng)工程Fig.1 Model-Based System Engineering

從MBSE的定義可以看出，MBSE是一種方法論，體現(xiàn)了標準化、結(jié)構(gòu)化、圖形化3個特點。具體來說，MBSE采用標準化的建模語言、模型和統(tǒng)一應(yīng)用框架，以確保研制信息的規(guī)范化；采用結(jié)構(gòu)化的模型，使得計算機能有效地識別、解析、組織和關(guān)聯(lián)模型，以實現(xiàn)信息跨層次、跨環(huán)節(jié)、跨系統(tǒng)的獲取、轉(zhuǎn)換、整合和再利用；并且MBSE采用高度圖形化的方法來呈現(xiàn)研制信息，能準確統(tǒng)一地描述系統(tǒng)，以提高理解的一致性和溝通效率。同時，MBSE模型能進行動態(tài)的仿真驗證，例如通過SysML模型的時序圖、狀態(tài)機來驗證系統(tǒng)行為、功能、邏輯的完整性和準確性，利用需求結(jié)構(gòu)化建模與管理方法與工具進行需求覆蓋性分析、全面性驗證等，以準確評估設(shè)計方案的合理性。

因此，相比于基于文檔的研制模式，MBSE具有更直觀、無歧義的信息表達，能提高協(xié)同效率，增強信息的獲取、轉(zhuǎn)換與再利用能力。在產(chǎn)品研發(fā)的早期，通過采用基于模型的架構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)動靜態(tài)仿真、需求指標的關(guān)聯(lián)管理等數(shù)字化分析、驗證與管理手段，實現(xiàn)設(shè)計方案的顯性化與規(guī)范化分解、系統(tǒng)設(shè)計指標的合理性與正確性驗證、需求指標的可追溯與精細化管理，能夠大幅減少系統(tǒng)集成與驗證階段的迭代反復(fù)，力求做到產(chǎn)品設(shè)計制造一次成功，從而提高產(chǎn)品全生命周期的研制質(zhì)量與效率。

2 MBSE發(fā)展現(xiàn)狀

1997年，面向?qū)ο蠊芾斫M織(Object Management Group, OMG)發(fā)展了“模型驅(qū)動架構(gòu)”等理念，并為支持軟件系統(tǒng)開發(fā)定義了統(tǒng)一建模語言UML。20世紀90年代末，波音、空客、龐巴迪、洛馬、NASA、歐空局等利用數(shù)字化技術(shù)進行了大規(guī)模應(yīng)用實踐。2007年，INCOSE受軟件工程巨大成功的啟發(fā)，結(jié)合多年的數(shù)字化技術(shù)研究和實踐結(jié)果，提出了MBSE概念，并在UML的基礎(chǔ)上與OMG共同建立了標準的系統(tǒng)建模語言SysML。

在產(chǎn)品研制需求和系統(tǒng)工程理論發(fā)展的推動下，國外科研機構(gòu)及航空航天企業(yè)利用MBSE開展了大量技術(shù)研究及工程研制應(yīng)用。NASA、歐空局(ESA)在MBSE標準和全生命周期應(yīng)用方面做了系統(tǒng)性工作，并在多個項目和研發(fā)環(huán)節(jié)中開展了典型應(yīng)用；波音公司采用統(tǒng)一的流程方法和工具全面實踐MBSE，已成功應(yīng)用于波音787的研制；洛馬、空客等公司持續(xù)應(yīng)用基于模型的需求工程驅(qū)動產(chǎn)品研制。

此外，國外航空航天企業(yè)及軟件廠商在基于模型的系統(tǒng)工程多個環(huán)節(jié)逐漸形成了較完備的軟件工具體系，為MBSE的應(yīng)用提供了統(tǒng)一的研制支撐環(huán)境。例如美國IBM公司開發(fā)了一系列基于模型的需求、架構(gòu)開發(fā)及管理工具(DOORS、RTC、Rhapsody等)，法國達索公司和德國西門子公司分別利用3DExperience平臺、Teamcenter平臺，打通了MBSE模型體系相關(guān)建模與設(shè)計工具間的接口，實現(xiàn)多域多學科協(xié)同管理等。

隨著國外對MBSE應(yīng)用的大力推動，國內(nèi)也不斷嘗試將MBSE應(yīng)用于各領(lǐng)域。中國航空工業(yè)集團公司在殲擊機等產(chǎn)品開展不同程度的MBSE工程應(yīng)用；中國運載火箭技術(shù)研究院研究了需求結(jié)構(gòu)化管理與協(xié)同、架構(gòu)設(shè)計與系統(tǒng)仿真閉環(huán)驗證等關(guān)鍵技術(shù)；中國空間技術(shù)研究院成立院級MBSE小組開展方法研究；中國飛航技術(shù)研究院由院科研生產(chǎn)部組織導(dǎo)入方法，并啟動MBSE軟件平臺研發(fā)工作。

結(jié)合國內(nèi)外發(fā)展情況可以發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)的MBSE研究相對起步較晚，與國外MBSE技術(shù)的研究和應(yīng)用相比還存在較大差距。

3 面向航天產(chǎn)品研發(fā)的MBSE工程研究

當前我國航天產(chǎn)品是以文檔為主、模型為輔的協(xié)同研制模式開展工程實施。近年來，雖然已經(jīng)形成了以三維模型為核心的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)協(xié)同研制模式，但從全周期、全業(yè)務(wù)、全系統(tǒng)的角度來看，航天產(chǎn)品研制依舊停留在基于文檔的協(xié)同階段。因此，亟需從源頭出發(fā)，率先突破航天產(chǎn)品需求分析過程模型化的技術(shù)可行性，逐步建立航天產(chǎn)品的完備模型體系，為實現(xiàn)航天產(chǎn)品研制全生命周期的數(shù)據(jù)貫通奠定基礎(chǔ)。

近年來，北京宇航系統(tǒng)工程研究所首先在需求分析過程模型化、研制流程體系化等方面進行探索研究，為在航天產(chǎn)品研制中MBSE技術(shù)的應(yīng)用賦予了新的內(nèi)涵，主要可歸結(jié)為“流程”“方法”“工具”3個方面(見圖2)，并在多個運載火箭型號研制過程中，開展了MBSE技術(shù)的工程探索實踐。

圖2 MBSE流程、方法與工具Fig.2 Process, method and tool of MBSE

3.1 航天產(chǎn)品MBSE流程應(yīng)用研究

MBSE流程是為了實現(xiàn)一個特定目標所執(zhí)行任務(wù)的邏輯序列，它定義將要“做什么”。近年來，北京宇航系統(tǒng)工程研究所開展了航天型號研制體系重構(gòu)工作，主要采用精細化流程的思路，提出“再現(xiàn)、再造、持續(xù)完善”的工作步驟，實現(xiàn)研制流程的層次化、體系化與規(guī)范化，為研制流程體系的重塑及研制模式轉(zhuǎn)型升級提供支撐。

MBSE流程模型如圖3所示。首先，按照研制體系再現(xiàn)的思路，開展研制流程梳理，采用“崗位、階段”兩維度流程圖的方式，分級細化梳理形成包含3個層級的型號研制流程體系。在流程中明確質(zhì)量控制要點，形成設(shè)計流程圖，并以此為脈絡(luò)細化成最小流程步，構(gòu)建流程模型，該流程模型包含4個要素：輸入數(shù)據(jù)、輸出數(shù)據(jù)、合規(guī)要求和支撐條件。同時，以流程模型為索引，構(gòu)建文件體系、數(shù)據(jù)體系、知識體系、質(zhì)量要求和標準規(guī)范體系。

圖3 MBSE流程模型Fig.3 Flow model of MBSE

然后，開展研制體系再造工作，按照“確定新要素→形成活動清單→嵌入研制流程”的步驟，將需求管理、架構(gòu)設(shè)計等MBSE新要素分別進行技術(shù)與管理活動梳理，形成兩維度工作流程圖以及流程活動清單，將這些活動嵌入到相應(yīng)的分級流程中，實現(xiàn)將MBSE新要素融入研制體系。

最后，在上述兩步基礎(chǔ)上，通過航天型號的工程應(yīng)用實施，持續(xù)改進完善基于MBSE的研制體系，推動實現(xiàn)新研制流程體系的健全與發(fā)展。

通過引入流程模型，不僅可實現(xiàn)型號研制流程體系的層次化、結(jié)構(gòu)化與精細化，還可推動研制過程方法、工具、知識等要素的無縫融合，提升研制工作的規(guī)范性與質(zhì)量管控能力，同時有助于實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)的標準化，形成基于流程的數(shù)據(jù)圖譜，便于查找與追溯。

3.2 航天產(chǎn)品MBSE方法應(yīng)用研究

MBSE方法是指執(zhí)行一項任務(wù)的諸多技能組成，它定義“如何”執(zhí)行每項任務(wù)。結(jié)合傳統(tǒng)設(shè)計方法，北京宇航系統(tǒng)工程研究所形成一整套面向航天產(chǎn)品研制過程的數(shù)字化研制技術(shù)體系，實現(xiàn)研制能力、研制效率及產(chǎn)品質(zhì)量的全方位提升。

以探索型號基于模型的正向設(shè)計與驗證為目標，面向產(chǎn)品方案設(shè)計過程，首先形成標準化頂層需求；然后通過架構(gòu)設(shè)計進行需求指標的規(guī)范化、顯性化分解；最后，利用架構(gòu)模型驅(qū)動系統(tǒng)仿真，開展需求指標分解的合理性驗證，如圖4所示。通過“需求-架構(gòu)-仿真”不斷迭代閉環(huán)驗證，有效解決需求協(xié)同管理、系統(tǒng)設(shè)計集成與驗證等問題，促進形成基于模型的協(xié)同設(shè)計新模式。

圖4 MBSE“需求-架構(gòu)-仿真”迭代閉環(huán)驗證Fig.4 Iterative close-loop verification of MBSE requirement-architecture-simulation

通過構(gòu)建MBSE需求模型(見圖5)，一方面，能夠?qū)斍把兄菩枨蟮闹笜诵畔⑦M行基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)源的精細化管理，有助于解決需求指標信息提取與查找困難的問題，從而進一步完善技術(shù)狀態(tài)管理。另一方面，能夠為產(chǎn)品設(shè)計提供可追溯的證據(jù)鏈條，有助于提升需求指標的追蹤與變更影響性分析效率，有效開展技術(shù)與產(chǎn)品風險的辨識與控制。

圖5 MBSE需求模型Fig.5 Requirement model of MBSE

基于架構(gòu)模型的正向設(shè)計方法是在統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)下，完成研制需求向系統(tǒng)功能分解、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解的正向推演，應(yīng)用SysML系統(tǒng)建模語言，基于需求模型完成對設(shè)計指標、接口、功能結(jié)構(gòu)等標準化建模和結(jié)構(gòu)化存儲，實現(xiàn)圖形化、顯性化、邏輯閉合的設(shè)計方案表達。MBSE架構(gòu)模型如圖6所示。

圖6 MBSE架構(gòu)模型Fig.6 Architecture model of MBSE

架構(gòu)模型的使用，可將各類設(shè)計經(jīng)驗、知識等以圖形化的形式固化下來，實現(xiàn)知識經(jīng)驗的傳承、積累與重用，同時還能夠?qū)⒔涌谛畔⑦M行規(guī)范化分類與管理，并能針對航天產(chǎn)品設(shè)計活動及具體指標進行完整性與合理性分解，確保無遺漏，有利于設(shè)計過程的質(zhì)量管理與風險控制。

基于模型的系統(tǒng)仿真驗證方法是應(yīng)用標準化仿真建模語言，按照產(chǎn)品組成完成關(guān)鍵單機的結(jié)構(gòu)化、圖形化建模及驗?zāi)?，并利用架?gòu)模型構(gòu)建生成系統(tǒng)仿真模型，以實現(xiàn)異構(gòu)仿真模型在統(tǒng)一架構(gòu)下的集成驗證。

通過構(gòu)建架構(gòu)驅(qū)動的系統(tǒng)仿真模型(見圖7)，實現(xiàn)了系統(tǒng)性能指標快速驗證，加強了跨系統(tǒng)、跨專業(yè)的方案變更影響分析能力與變更追溯能力，最終形成了“需求-架構(gòu)-仿真”的數(shù)字化研制鏈路，實現(xiàn)研制需求到設(shè)計驗證的閉環(huán)迭代的數(shù)字化管控，有效提升設(shè)計方案的質(zhì)量。

圖7 MBSE系統(tǒng)仿真模型Fig.7 System simulation model of MBSE

3.3 航天產(chǎn)品MBSE工具建設(shè)研究

MBSE工具是一種載體，當被用于特定方法時，通過固化“做什么”和“如何做”來增強執(zhí)行任務(wù)的效率。針對航天產(chǎn)品研制過程，北京宇航系統(tǒng)工程研究所開展設(shè)計工具的集成方法，具備多專業(yè)協(xié)同設(shè)計仿真能力，并在此基礎(chǔ)上逐漸形成與工具體系對應(yīng)的數(shù)據(jù)、模型、知識資源體系，從而為先進數(shù)字化研制模式的探索與落地提供產(chǎn)品支撐。

在工具體系建設(shè)方面，通過統(tǒng)一的基礎(chǔ)框架實現(xiàn)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺、知識庫、工具庫等信息系統(tǒng)的集成。該工具體系的主體思想是“統(tǒng)一入口、流程驅(qū)動、線上協(xié)同、知識推送”，將協(xié)同過程顯性化，實現(xiàn)設(shè)計活動的可追溯，實現(xiàn)多專業(yè)、多領(lǐng)域協(xié)同，從而為MBSE應(yīng)用實施提供基礎(chǔ)，完成方案論證實踐探究。

在上述3方面的工程探索研究基礎(chǔ)上，北京宇航系統(tǒng)工程研究所充分結(jié)合航天產(chǎn)品的研制特點，詳細規(guī)劃航天產(chǎn)品MBSE技術(shù)發(fā)展路線，編制基于MBSE的航天產(chǎn)品數(shù)字化大綱、統(tǒng)一化規(guī)定、標準規(guī)范與管理辦法等指導(dǎo)性文件，逐步推進MBSE流程、方法與工具的工程試點與融合應(yīng)用。

4 航天產(chǎn)品MBSE應(yīng)用發(fā)展啟示

如何推進MBSE工程應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)字化與航天彈箭產(chǎn)品研制深度融合，決定了能否在航天領(lǐng)域數(shù)字化發(fā)展浪潮中占據(jù)優(yōu)先主導(dǎo)權(quán)。本文結(jié)合航天產(chǎn)品MBSE工程實踐探索，形成如下應(yīng)用發(fā)展啟示：

(1)MBSE方法貫穿航天產(chǎn)品型號研制全過程，是提升型號產(chǎn)品精細化設(shè)計、確保型號產(chǎn)品質(zhì)量的重要途徑

基于模型的系統(tǒng)工程方法強調(diào)以表征復(fù)雜系統(tǒng)的完備模型體系為核心，在產(chǎn)品全生命周期進行模型化的表達，并通過模型的不斷演化、迭代遞增來實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計。

航天型號研制貫穿基于模型的系統(tǒng)工程方法，是以全生命周期的產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)，以多類模型表達設(shè)計信息，并通過仿真手段實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計與驗證。各類模型隨著產(chǎn)品生命周期的推演逐漸完善，在模型體系形成的過程中，通過數(shù)據(jù)的映射來建立模型之間的關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)航天產(chǎn)品全生命周期內(nèi)的設(shè)計信息一致性傳遞與追溯關(guān)系的數(shù)字化表達。應(yīng)用MBSE可以使產(chǎn)品在研制前期得到充分的驗證，將設(shè)計質(zhì)量缺陷盡可能多地消除，對提升航天產(chǎn)品精細化設(shè)計，確保型號產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

(2)全面布局、體系化推進流程、方法和工具體系建設(shè)是實現(xiàn)航天產(chǎn)品MBSE研制模式落地的必然選擇

從試點應(yīng)用經(jīng)驗來看，MBSE模式與航天傳統(tǒng)的科研生產(chǎn)模式差異較大，MBSE不只是一款工具的使用，一種建模方法的具體應(yīng)用，而是一種貫穿于產(chǎn)品全生命周期的研制理念的轉(zhuǎn)換和改變。科研生產(chǎn)模式由傳統(tǒng)的基于靜態(tài)文檔的研制模式向基于動態(tài)模型的研制協(xié)同模式和產(chǎn)品質(zhì)量保證模式轉(zhuǎn)變，對組織管理模式、設(shè)計研發(fā)活動、設(shè)計信息傳遞模式、驗收評審模式、生產(chǎn)及試驗?zāi)Ｊ降确矫娑紝a(chǎn)生巨大的影響，需要建立與之匹配的流程體系來管理和組織。因此，在組織內(nèi)推動MBSE理念的落地，必須在統(tǒng)一的規(guī)劃下，圍繞總體目標，制定切實可行的實施路線，從組織建設(shè)、流程再造、理論與方法導(dǎo)入、工具體系建設(shè)、型號應(yīng)用等方面體系化推進MBSE。開展廣泛和系統(tǒng)的方法培訓來推動新理念和方法的導(dǎo)入，集中力量研究標準化模型體系和數(shù)字化研發(fā)流程規(guī)范，形成代表知識積累的數(shù)字化模型資產(chǎn)庫，持續(xù)推進面向產(chǎn)品研制的平臺與工具體系建設(shè)，提升業(yè)務(wù)端的模型化水平，逐漸形成本土化、自主可控MBSE平臺，推動基于模型的數(shù)字化協(xié)同設(shè)計及制造的協(xié)調(diào)發(fā)展。

(3)采取典型試點、分步實施的方式有序推進，將有助于實現(xiàn)MBSE技術(shù)與航天產(chǎn)品研發(fā)管理模式的融合

MBSE的落地應(yīng)用，必然對科研生產(chǎn)模式產(chǎn)生沖擊和影響，若產(chǎn)品研制全面轉(zhuǎn)向MBSE模式，將在設(shè)計流程、設(shè)計驗證工作量等方面出現(xiàn)眾多難以預(yù)先克服或避免的問題。因此,應(yīng)在體系化推進MBSE流程、方法和工具體系建設(shè)基礎(chǔ)上，采取試點應(yīng)用，由點及面的推廣應(yīng)用模式。

選擇代表性航天型號產(chǎn)品開展試點應(yīng)用，提煉并掌握標準模型建模、實施規(guī)范，形成應(yīng)用典型示范，推動知識體系升級，并將成熟MBSE技術(shù)體系向其他產(chǎn)品推廣應(yīng)用。首批采用MBSE開展研發(fā)的試點產(chǎn)品必然面對設(shè)計流程變化、工作界面調(diào)整、建模仿真驗證工作量激增以及人員培訓與再配置等多重轉(zhuǎn)型陣痛。一次完整的產(chǎn)品應(yīng)用轉(zhuǎn)型則將帶來知識體系升級、研制流程再造、質(zhì)量管控體系升級等系列價值，為相關(guān)產(chǎn)品復(fù)用推廣打下堅實基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

航天是高端制造行業(yè)，不僅代表著一個國家的經(jīng)濟、軍事和科技水平，而且是國家展現(xiàn)綜合國力、國防實力的重要手段。當前中國正由航天大國向航天強國邁進，我們需要學習、研究、應(yīng)用新的設(shè)計理念和方法，并將其與中國航天實際情況相結(jié)合，將基于模型的系統(tǒng)工程方法與航天彈箭產(chǎn)品研制深度融合，形成適合中國航天產(chǎn)品的MBSE研制模式，不斷提升科研生產(chǎn)效率和質(zhì)量管控能力。