基于MBSE方法進(jìn)行民機(jī)設(shè)計(jì)的工具鏈建設(shè)

（上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210）

民用飛機(jī)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力與制造水平體現(xiàn)了國(guó)家的綜合實(shí)力和科技水平，是工業(yè)化國(guó)家競(jìng)相搶占的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)制高點(diǎn)。民用飛機(jī)不同于其他產(chǎn)品，是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)，需要滿足極高的安全性和可靠性的要求；飛機(jī)行業(yè)也不同于其他行業(yè)，是一項(xiàng)高難度、高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、長(zhǎng)周期的工程。為了應(yīng)對(duì)民機(jī)研制這種行業(yè)的特殊性和復(fù)雜性，將系統(tǒng)工程思想應(yīng)用到民機(jī)研制已經(jīng)得到廣泛認(rèn)同，而基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是系統(tǒng)工程領(lǐng)域未來發(fā)展的趨勢(shì)。

1 MBSE簡(jiǎn)介

系統(tǒng)工程是一個(gè)職業(yè)、一個(gè)過程、一個(gè)觀點(diǎn)，是一種使系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)的跨學(xué)科的方法和手段[1]。系統(tǒng)工程在發(fā)展的過程中，大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：（1）傳統(tǒng)系統(tǒng)工程；（2）流程結(jié)構(gòu)化；（3）工具信息化；（4）知識(shí)模型化[2]。在當(dāng)今的工程應(yīng)用中，系統(tǒng)工程已經(jīng)發(fā)展到第4個(gè)階段，所謂的知識(shí)模型化，就是將傳統(tǒng)的系統(tǒng)工程信息傳遞方式由文件發(fā)展成模型，也就形成了基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），它能為解決復(fù)雜系統(tǒng)工程問題提供方法論。

國(guó)外很早就開始MBSE的研究，并把研究成果應(yīng)用于實(shí)踐。由于復(fù)雜系統(tǒng)更需要系統(tǒng)工程的應(yīng)用，所以航空、航天及汽車領(lǐng)域一直是系統(tǒng)工程發(fā)展的主要戰(zhàn)場(chǎng)。美國(guó)航空航天局（NASA）開發(fā)了MBSE的基礎(chǔ)架構(gòu)，并在實(shí)際的項(xiàng)目和工程中進(jìn)行應(yīng)用，目前JPL實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)有20多個(gè)任務(wù)是把MBSE貫穿于任務(wù)始終的。在MBSE的發(fā)展過程中，Modelica建模語(yǔ)言和FMI（功能樣機(jī)接口）接口規(guī)范的發(fā)展使得多學(xué)科、多專業(yè)的仿真建模得以真正實(shí)現(xiàn)，圖1是MBSE發(fā)展的重大事件。

2 MBSE中的幾個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)

在MBSE的發(fā)展歷程中，有幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生和發(fā)展對(duì)MBSE的推動(dòng)和成長(zhǎng)起了重要的作用，分別是SysML標(biāo)準(zhǔn)、Modelica語(yǔ)言和FMI規(guī)范。

2.1 SysML標(biāo)準(zhǔn)

圖1 MBSE的簡(jiǎn)要發(fā)展歷史Fig.1 Concise history of MBSE development

為了支持MBSE，國(guó)際系統(tǒng)工程學(xué)會(huì)（INCOSE）和對(duì)象管理組織（OMG）在對(duì)UML2.0（統(tǒng)一建模語(yǔ)言）的子集進(jìn)行重用和擴(kuò)展的基礎(chǔ)上聯(lián)合提出一種通用的針對(duì)系統(tǒng)工程應(yīng)用的“標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)建模語(yǔ)言”SysML[3]。它是一種多用途的標(biāo)準(zhǔn)建模語(yǔ)言，能夠支持系統(tǒng)工程應(yīng)用的多領(lǐng)域系統(tǒng)包含硬件、軟件、信息等系統(tǒng)的需求分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能描述、系統(tǒng)驗(yàn)證等。

2.2 Modelica語(yǔ)言

Modelica建模語(yǔ)言由瑞典Link?ping的非贏利組織Modelica協(xié)會(huì)開發(fā)，是一種適用于大規(guī)模復(fù)雜異構(gòu)物理系統(tǒng)建模的面向?qū)ο笳Z(yǔ)言，可以免費(fèi)使用[4]。Modelica可以滿足多領(lǐng)域建模需求，例如機(jī)電模型、機(jī)器人、汽車和航空應(yīng)用中的機(jī)電系統(tǒng)，包含了機(jī)、電、液和控制、過程應(yīng)用等[5]。

2.3 FMI規(guī)范

功能樣機(jī)接口（Functional Mock-up Interface，F(xiàn)MI）規(guī)范，是一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，由汽車OEM在歐洲發(fā)起的MODELISAR項(xiàng)目啟動(dòng)[6]，現(xiàn)已成為行業(yè)內(nèi)主流標(biāo)準(zhǔn)。

3 基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)

在當(dāng)代的民機(jī)設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)工程的思想已經(jīng)深入其中，它強(qiáng)調(diào)從飛機(jī)的頂層需求出發(fā)，通過對(duì)需求和功能的分析，進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)、然后進(jìn)行需求的分解、系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣層層深入，一直到部件級(jí)。然后從部件級(jí)開始，實(shí)現(xiàn)不同層級(jí)的集成，以及進(jìn)行對(duì)應(yīng)層級(jí)的需求驗(yàn)證，最后直到飛機(jī)級(jí)。這也是常說的V模型。

基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)方法主要優(yōu)勢(shì)是能夠在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的早期階段，即通過模型的建立能夠清晰明確地表達(dá)系統(tǒng)的功能，理清系統(tǒng)間的關(guān)系，完善復(fù)雜系統(tǒng)的需求，并通過前期模型的驗(yàn)證，確保需求的正確，保證高復(fù)雜度的系統(tǒng)能夠被正確分解成為復(fù)雜度較低的系統(tǒng)和子系統(tǒng)，并通過這種層級(jí)的遞進(jìn)，來確保整個(gè)從上至下過程的嚴(yán)謹(jǐn)及準(zhǔn)確，使高復(fù)雜度的系統(tǒng)研制能夠成功；并且由于該方法能在飛機(jī)設(shè)計(jì)的早期階段確保需求的正確性，可以減少項(xiàng)目后期的反復(fù)，能夠大大節(jié)省項(xiàng)目的開支，控制項(xiàng)目的成本?；贛BSE的民機(jī)設(shè)計(jì)方法需要主制造商對(duì)系統(tǒng)工程思想在民機(jī)中的應(yīng)用有深刻的理解，對(duì)建模仿真技術(shù)的應(yīng)用也有一定的積累，并且已經(jīng)有比較健全的流程體系支持該設(shè)計(jì)方法。

基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖2所示?？梢钥吹?，該流程除了有傳統(tǒng)的V模型之外，還有所謂的小V循環(huán)，也就是在民機(jī)設(shè)計(jì)的前期，系統(tǒng)軟硬件生產(chǎn)之前，通過建模仿真的方式對(duì)飛機(jī)的設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行虛擬集成和驗(yàn)證。

基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)方法與基于傳統(tǒng)系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)方法的最主要區(qū)別是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的前端或者V模型的左側(cè)。其概括起來可以表示為4個(gè)層級(jí)的建模仿真過程，分別是需求（R）、功能（F）、邏輯（L）和物理（P）。需求層主要指的是需求的捕獲及管理，功能層是指對(duì)功能的分析及功能模型的建立，邏輯層指的是系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計(jì)，物理層則主要包括系統(tǒng)性能分析和三維物理建模。

4 MBSE常用工具

圖2 基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化流程Fig.2 Concise process of civil aircraft design based on MBSE

由于MBSE涉及到大量的不同層級(jí)的建模仿真工作，需要用到很多不同的建模仿真工具，這里主要介紹一些常用的軟件工具。

4.1 需求管理工具

需求是民機(jī)設(shè)計(jì)中最先需要分析和定義的。需求相關(guān)的工作主要有：識(shí)別利益相關(guān)方、捕獲利益相關(guān)方需求和需求管理。目前常用的需求管理軟件是IBM公司的DOORS軟件。

DOORS軟件是全球領(lǐng)先的需求管理工具，是為捕捉、鏈接、追蹤、分析并管理信息的變更以確保項(xiàng)目順從特定需求和標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的多平臺(tái)系統(tǒng)。主要有以下比較顯著的性能：（1）有相互協(xié)作的需求管理環(huán)境 ；（2）能管理需求更改 ；（3）能對(duì)需求進(jìn)行很好的追蹤 ；（4）可擴(kuò)展性；（5）用于不同規(guī)模測(cè)試環(huán)境的測(cè)試追蹤工具；（6）可以對(duì)需求進(jìn)行簽審等。正是由于這些顯著的性能，DOORS已被全球超過20萬用戶采用，成為需求管理解決方案的標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 功能定義與分析工具

設(shè)計(jì)活動(dòng)需要分析頂層及下層的需求，根據(jù)不同的場(chǎng)景，定義功能之間的關(guān)系，確定功能模型，并且能在一定程度上對(duì)需求進(jìn)行確認(rèn)和補(bǔ)充。用于功能定義與分析的軟件主要有IBM公司的Rhapsody和EA（Enterprise Architec）軟件等。

Rhapsody是業(yè)界領(lǐng)先的系統(tǒng)設(shè)計(jì)解決方案，可以滿足生命周期中從需求捕獲到系統(tǒng)開發(fā)的全過程需要?？梢詫?shí)現(xiàn)基于UML和SysML的模型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)，并提供支持完整的 C、C++、Ada和Java開發(fā)語(yǔ)言的主機(jī)和目標(biāo)模擬環(huán)境，包括代碼生成[7]。它主要有以下特點(diǎn)：（1）面向功能分解的結(jié)構(gòu)化建模方式；（2）支持UML2.0及更高版本的功能；（3）支持逆向工程的系統(tǒng)開發(fā)；（4）能生成可執(zhí)行的模型；（5）模型與代碼可關(guān)聯(lián)；（6）自動(dòng)生成文檔等。

EA是一個(gè)基于UML的全功能的可視化編程工具，在用戶界面模擬、影響分析、改善模型文檔、加強(qiáng)項(xiàng)目管理等多個(gè)方面提供了強(qiáng)大的能力。主要功能包括：需求管理、項(xiàng)目管理、模型仿真、UML建模、SysML建模、應(yīng)用程序執(zhí)行與調(diào)試、雙向代碼工程、版本管理、BPMN建模、測(cè)試點(diǎn)管理等，并且能夠生成PDF格式、 RTF格式和HTML格式的文檔報(bào)告。

4.3 邏輯定義工具

需求與功能確定之后，需要確定系統(tǒng)的架構(gòu)、邏輯關(guān)系以及基本的分配布置等。目前邏輯層的常用軟件有PaceLab、LMS Imagine.Lab等。

PaceLab是PACE公司開發(fā)的針對(duì)民機(jī)初期設(shè)計(jì)優(yōu)化的一個(gè)軟件。它有一個(gè)專門進(jìn)行飛機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)以及權(quán)衡分析的模塊，叫做SysArc。SysArc基于兩個(gè)基本的組件，分別是PaceLab Suite和PaceLab APD。PaceLab Suite是一個(gè)基于知識(shí)工程的軟件平臺(tái)，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。PaceLab APD是基于Suite開發(fā)的一個(gè)專門針對(duì)飛機(jī)方案設(shè)計(jì)階段的工具模塊。SysArc是在APD的基礎(chǔ)之上，針對(duì)飛機(jī)的功能子系統(tǒng)設(shè)計(jì)而專門開發(fā)的工具模塊。它主要對(duì)各個(gè)功能子系統(tǒng)進(jìn)行方案評(píng)估，包括：功能子系統(tǒng)模型庫(kù)、盒段分區(qū)、自動(dòng)布線、失效模式研究、電耗和熱負(fù)荷研究。除了研究子系統(tǒng)本身的系統(tǒng)設(shè)計(jì)外，也可以研究子系統(tǒng)對(duì)整個(gè)飛機(jī)的影響，比如設(shè)備布置和布線方式對(duì)重量重心、飛行性能的影響。

LMS Imagine.Lab是一個(gè)綜合性的軟件[8]，能涵蓋MBSE的多個(gè)層級(jí)的工作。在邏輯層的架構(gòu)設(shè)計(jì)中，LMS Imagine.Lab有System Sythesis模塊。System Sythesis模塊的功能有：（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)；（2）系統(tǒng)模型配置；（3）仿真工況定義；（4）后處理；（5）優(yōu)化。

4.4 物理建模仿真工具

這里的物理建模仿真指的是與物理實(shí)體以及實(shí)體的性能相關(guān)的建模仿真，主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的性能和三維物理的建模。在三維物理建模領(lǐng)域，用得最多的是CATIA軟件，而在性能建模中，當(dāng)前流行多學(xué)科的聯(lián)合建模仿真，常用的諸如Dymola、SimulationX等。

CATIA是三維物理建模領(lǐng)域當(dāng)之無愧的領(lǐng)袖，在全球的航空航天企業(yè)中已經(jīng)大規(guī)模的應(yīng)用。很多企業(yè)得益于CATIA軟件的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)設(shè)計(jì)的無紙化，大大提高了效率。其功能十分強(qiáng)大，擁有眾多的模塊，提供產(chǎn)品的風(fēng)格和外形設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、設(shè)備與系統(tǒng)工程、管理數(shù)字樣機(jī)、機(jī)械加工、分析和模擬等功能[9]。

在多學(xué)科聯(lián)合建模領(lǐng)域，當(dāng)前最流行的軟件主要是基于Modelica語(yǔ)言，來實(shí)現(xiàn)機(jī)械、流體、電子電氣、電磁、控制、傳熱等多個(gè)工程領(lǐng)域的聯(lián)合仿真。另外FMI標(biāo)準(zhǔn)的提出，也為多學(xué)科建模工具與傳統(tǒng)建模工具如Simulink等軟件的鏈接提供了可能。在該領(lǐng)域，Dymola和SimulationX是其中的佼佼者。Dymola是法國(guó)Dassault Systemes公司的多學(xué)科系統(tǒng)建模仿真工具，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、能源等行業(yè)系統(tǒng)的功能驗(yàn)證和硬件在環(huán)仿真[10]，主要特點(diǎn)為：（1）開源；（2）無因果建模；（3）開放性；（4）符號(hào)運(yùn)算。SimulationX 是一款是多學(xué)科領(lǐng)域建模、仿真和分析的通用工具，能分析評(píng)價(jià)技術(shù)系統(tǒng)內(nèi)各部件的相互作用，并擁有強(qiáng)大標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，這些元件庫(kù)包括氣動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)、電子學(xué)、三維多體系統(tǒng)、一維力學(xué)、動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)、液力學(xué)、磁學(xué)和控制。另外，SimulationX還具有強(qiáng)大的后處理系統(tǒng)。

圖3 基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)工具鏈框架Fig.3 Tool chain construction of civil aircraft design based on MBSE

5 基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)工具鏈框架

針對(duì)MBSE的RFLP的建模仿真過程，最重要的是要打通各個(gè)層級(jí)之間的隔閡，使從頂層的需求到功能到架構(gòu)最后到物理性能能夠串聯(lián)成一個(gè)相互追溯相，互影響的鏈條，最終實(shí)現(xiàn)全流程的建模仿真。這也是當(dāng)今很多大型軟件努力的目標(biāo)，包括達(dá)索公司的CATIA V6、西門子公司的LMS Imagine.Lab等都在宣稱自己的軟件有這種能力。但是由于單個(gè)公司的實(shí)力有限，目前單一軟件實(shí)現(xiàn)MBSE全流程的設(shè)計(jì)還不太成熟。因此建議通過一個(gè)軟件的工具鏈來完成該項(xiàng)工作（圖3）。

在圖3中，DOORS和Rhapsody同屬于一家公司，軟件之間的繼承性和兼容性較強(qiáng)，而PaceLab SysArc專為飛機(jī)的架構(gòu)而開發(fā)，內(nèi)置了大量的系統(tǒng)和子系統(tǒng)的模型，能夠較好地完成針對(duì)飛機(jī)的架構(gòu)設(shè)計(jì)和權(quán)衡研究，Dymola和CATIA同屬于達(dá)索公司，在Dymola中能完美地調(diào)用CATIA模型，通過FMI接口標(biāo)準(zhǔn)，能夠和Simulink等常用的傳統(tǒng)建模軟件交互。因此選擇這些軟件構(gòu)建MBSE的一個(gè)工具鏈。當(dāng)然，每個(gè)公司的環(huán)境和習(xí)慣不同，軟件也各有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，沒有統(tǒng)一的完美的方案。應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況來配置使用相應(yīng)層級(jí)的軟件。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了當(dāng)今民機(jī)設(shè)計(jì)中的最先進(jìn)的基于模型的系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)理念，闡述了MBSE的概念和發(fā)展歷程以及對(duì)MBSE產(chǎn)生重大推動(dòng)作用的幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。隨后根據(jù)基于MBSE的民機(jī)設(shè)計(jì)流程，介紹了流程中各個(gè)層級(jí)常用的建模仿真軟件，最后根據(jù)這些軟件的特性提出了MBSE的工具鏈框架。對(duì)于MBSE在民機(jī)設(shè)計(jì)中更好地落地提供了積極的參考意見。

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