MBSE：实现中国制造创新设计的使能技术探析(上)

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制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。没有强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。打造具有国际竞争力的制造业，是中国提升综合国力、保障国家安全、建设世界强国的必由之路。新中国成立尤其是改革开放以来，中国制造业持续快速发展，在许多行业已经是世界第一。

然而，中国制造业大而不强，与国外先进水平相比，在自主创新能力、资源利用效率、产业结构水平、信息化程度、质量效益等方面差距明显。在此背景下，2015年3月5日，李克强总理在两会上作《政府工作报告》时首次提出“中国制造 2025”的宏大计划。2015年3月25日，国务院审议通过了《中国制造2025》，明确提出“创新驱动、质量为先、绿色发展、结构优化、人才为本”的基本方针，力争通过3个10年的努力，到新中国成立100年时，把中国建设成为引领世界制造业发展的制造强国。

然而，长期以来，中国在产品系统层面的创新能力远弱于底层构件的创新能力、整体产品的创新能力远弱于局部零部件的创新能力。其根本原因在于：针对涉及多领域的复杂系统，在最具创新性的概念设计阶段，缺乏对其进行系统层面的整体设计。其后果是：不同子系统间将产生功能交叠与冲突、甚至是不可预测的行为。更为严重的是：这类“先天缺陷”无法经过后续设计与加工弥补。

因此，要实现中国由制造大国向制造强国、智造大国的转变，改变“高端失守、低端混战”的局面，迫切需要支持顶层、系统、整体创新设计的理论、方法与工具。基于系统工程思想对多域复杂产品进行系统设计已成为增强中国自主创新能力的迫切需要。

随着异地分布式设计的出现和产品复杂性的增加，基于文件的系统设计方法已无法满足要求。基于模型的系统工程（model based systems engineering，MBSE）及其标准系统建模语言SysML（system modeling language）正成为中国制造向中国智造创新设计的重要使能技术。它具有明显优势，如无二义性的语义刻画、早期仿真分析的支持等。本文对MBSE的国内外研究现状、建模方法、使能作用、实施挑战与方法等进行分析，并对MBSE的实施给出建议。

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研究现状

1.1 MBSE 历史背景

MBSE的概念于1987年正式提出。1993年，亚利桑那大学 A. Wayne Wymore教授发表了MBSE专著，试图对系统设计的理论进行阐述，并在书的附录中给了一种 MBSE建模语言，但并未取得成功。进入 21 世纪初，国际系统工程学会（INCOSE）借用软件工程应对“软件危机”的成功经验，于2006 年重新审视与发展了“基于模型的系统工程（MBSE）”。并给出了 MBSE 如下的定义（INCOSE，《Systems engineering vision 2020》）：MBSE 是一种应用建模方法的正式方式，用于支持系统需求、设计、分析、检验与确认活动，这些活动从概念设计阶段开始，贯穿整个开发过程及后续的生命周期阶段。MBSE是系统工程领域发展的一种基于模型表达和驱动的方法，它可以看成是模型驱动原则、方法、工具、语言的指导规范，是对学科交叉和规模化的复杂系统的实施。同时，为支持 MBSE，在统一建模语言（unified modeling language，UML）的基础上提出了标准系统建模语言 SysML。支持对复杂系统的需求、行为、参数与结构等进行基于图（di⁃agram）的无二义性说明、分析、设计等。旨在从一开始，在产品的相关人员间建立统一的交流平台。为此，SysML 定义和提供了9种类型的图（图1）。

1.2 研究现状

目前，国外对 MBSE 的研究与应用进行了积极深入的探索，国内近几年也对 MBSE 表现出了浓厚的兴趣，尤其是航天航空等大型企业。国际上对 MBSE 发展进行整体规划的机构主要是国际系统工程学会（INCOSE）。它于 2008 年在“系统工程 2020 愿景”中提出了 MBSE 的发展路线图。其中，提出MBSE 的成熟程度可分为3个层次：

1）文档为中心、MBSE 是特别的方式。

2）明确定义的MBSE。

3）MBSE 在学术界、工业界成为制度化的方法。

按照时间进度，目前已经经过“MBSE 标准不断涌现”“成熟的 MBSE 方法与度量指标、集成的软/硬件模型”“架构模型与仿真、分析、可视化模型集成起来”等阶段。从研究发表的工作看，上述各个部分均有涉及，架构模型与仿真分析集成的标准也已出现。目前，正朝“经过明确的 MBSE 理论、本体论和形式体系”、“分布式的、安全的、横跨多个领域的模型库”迈进。国外应用和实践MBSE 的单位主要是：NASA、美国国防部、欧空局等政府组织和相关承包商。如 NASA 的喷气推进实验室（JPL）在研究和应用MBSE 上行动十分积极，具有代表性。它制定了一个应用 MBSE 的发展战略，时间跨度为2009—2016 年。它提出了称为“状态分析的”MBSE 的方法论，并在多个项目中应用。另外 MBSE 的应用离不开相应平台的支持，IBM 等公司在这方面进行了有益探索，在已有支持UML 建模的基础上，推出了支持标准系统建模语言 SysML 的建模平台 Raphsody，NoMagic 公司推出了相关的平台 MagicDraw、3SL 公司推出了Cradle等。

国内目前关于MBSE 的研究与应用主要分为3块：

1）MBSE 的应用。近几年来受到了广泛的关注，中国航天科工集团、航天科技集团、中航工业等均纷纷接触 MBSE，并进行了软件平台方面的投资，购买了国内和国外的相关软件平台。

2）基于SysML、支持复杂产品系统的需求、分析、设计方面的研究与平台研发：如标准 IEEE1220 所定义的，系统建模主要分为需求分析、功能分析、架构设计和系统验证4个部分，而前 3 个部分正是自顶向下设计思想在系统创新设计中的运用。因此，对于实现自主创新设计至关重要。目前国内主要是浙江大学CAD&CG 国家重点实验室在研究，并推出了相关的平台M-Design。

3）基于 Modelica、支持复杂产品系统多领域统一仿真建模的研究与平台研发：如标准 IEEE1220 所定义的，系统验证是系统建模过程中的最后一环，也是确保设计正确的关键一环。目前国内主要是华中科技大学在研究，并推出了相关的平台 MWorks。

总体上，目前国内这方面还比较弱，还缺乏对MBSE 的理解与认识、缺乏系统的组织与引领、缺乏研究机构与应用单位的良好交流与互动。从而造成“应用单位感觉 MBSE 比较难”“研究单位找不到应用推广的疼点”的局面。

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MBSE 建模方法与使能作用分析

2.1 MBSE 建模方法

航天、航空、武器系统等都是典型的系统之系统，从系统工程到复杂系统工程，再到复杂组织体系统工程，系统及与外部环境的交联趋于复杂。MBSE 就是要回答解决复杂系统工程的问题。工业互联网、直接数字制造（DDM）和 MBSE 被誉为是未来制造业的3大典型特征。

MBSE 建模方法是用于支持在“基于模型的”或“模型驱动的”背景环境中系统工程学科诸多相关流程、方法和工具的集合。通过标准系统建模语言构建需求模型、功能模型、架构模型，实现需求、功能到架构的分解和分配，通过模型执行实现系统需求和功能逻辑的“校验”和“确认”，并驱动仿真、设计、测试、综合、校验和确认环节。MBSE 传递的模型，包括需求、结构、行为和参数在内的动态信息。模型使整个组织中各类专业工程和技术领域人员更加直观的理解和表达系统，确保全程传递和使用的是基于同一模型。

为实现上述目的，目前提出的 MBSE 方法很多，几乎均是以如图 2 所示的经典系统建模方法 V 模型为基础展开的。

在 V 模型方法的基础上，有许多研究人员进行了较大的扩展与延伸。大体上，可将现有的复杂产品系统设计建模方法分为4 种：通用的系统建模方法、并行建模方法、基于对象-过程的建模方法和基于状态分析的建模方法等。

2.2 MBSE 对中国制造的使能作用

飞机、航天器、武器系统等高端制造行业代表着一个国家的经济、军事和科技水平，是一个国家综合国力、国防实力的重要标志。如前所述，中国制造业还是大而不强，如何提升中国制造业的创新研发体系、加快其创新能力与进度是一大挑战。MBSE 正是这样一项能快速提升中国制造创新能力、优化制造研制流程、促使中国制造向中国智造升级转换的使能技术。其具体的使能作用体现如下：

1）支持设计方法的创新。据统计，80%以上的创新是产品概念形成阶段完成。而这一阶段目前是最为薄弱的环节，几乎全部是由系统设计师手工通过文档的归类、整理、查找、思考、决策而完成。核心问题就是由于缺乏针对不同专业学科与不同专业工程的统一模型，无法借助计算机的推理、评价、决策能力。通过MBSE 建立的统一系统模型，不同学科的专业知识可以统一表达，从而可以支持计算机高效检索、推理与决策，创新设计能力与空间将能得到质的提升。

2）支持研发流程的优化再造。传统的研发不仅是要遵循预研论证、再方案、试制与测试这一过程，而且即使是针对单纯的设计，也一般是先物理系统部分的设计，然后再控制系统的设计。MBSE 的使用，将从一开始即对所有数据信息进行形式化的正式表达，且能将不同专业学科、不同阶段的参数进行有机关联。因此，不仅能实现物理部分与控制部分的并行设计，同时也支持在预研和方案论证阶段的仿真验证，在设计早期阶段就可排除不合理的方案，实现对整个研发流程的优化再造。

3）支持系统全生命周期的管理。目前产品全生命周期管理（PLM）的宽度和长度均远不够。宽度上，目前只管产品本身。事实上，任何一个产品均不是孤立的个体，是与环境密切相关的一个系统。因此，要能对相关的数据信息进行管理。长度上，目前主要是对产品详细设计、工艺、制造等后期信息进行管理，而对前期的需求、功能、方案等数据很少涉及。而 MBSE 正好弥补这方面的不足，形成对系统全生命周期（system life management，SLM）的管理。

需要注意的是：企业在应用 MBSE 会发生了很多方面的改变，会带来一系列积极的影响，同时也需要有一定的代价。积极的作用主要包括：提高了整个工程系统中所有要素的交互性、增加了对于系统复杂性的管理、改善了整体设计质量和增加了对于设计知识的重用性等。同时，需要付出的代价主要包括：产生和维护模型的代价、需要对相关人员进行一定时间的培训代价和企业整体基础设施和架构升级的代价等。

下期内容：中国制造实施MBSE