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MBSE用户画像:NASA最新MBSE落地方案及其十年探索之路

29天前浏览2426

引言


NASA的MBSE应用探索始于2009年,经过十年发展,NASA已将MBSE成功应用在产品研发流程多个阶段,包含概念选型产品设计系统级仿真验证测试规划等;搭建了以模型为中心的协同工作环境;并借助SysML构建本体支撑知识工程的落地。企业内部MBSE生态已经形成

回顾其十年探索历史,基本上分成了初期规划、推广&试点,到中期经验总结、推广,再到如今成熟应用的三个阶段。

NASA MBSE规划路线:2009-2016

如今国内多数企业的MBSE技术引入尚处于初期阶段,在MBSE项目中遇到的问题基本和NASA在项目初期阶段所遇到的类似。作为MBSE技术的先行者,NASA的经验或多或少可以作为国内企业MBSE技术引入的参考,帮助企业明确MBSE的技术发展路线

本文特将近几年NASA MBSE相关公开资料进行搜集、梳理、总结如下,以供国内当前正在引入MBSE的企业参考。

文章章节安排如下:

  1. 最新MBSE落地方案: OpenMBEE&OpenCAE

  2. NASA MBSE历程:2009-2019

    1. 2009-2012: 规划、推广和试点项目

      • 路线规划

      • 推广工作内容

      • 试点项目:2个案例

      • 本体模型&SysML

    2. 2013-2016: 逐渐成熟

      • 2013: 项目应用状态

      • 2014: 全生命周期应用拓展

      • 2015: OpenMBEE

      • 2016: GRC MBSE应用状态更新

    3. 2017-2019: 成熟应用

      • 2017: OpenCAE概念提出

      • 2018: 企业技术成熟度评估表

      • 2019: OpenCAE&企业技术成熟度评估表版本更新

  3. NASA MBSE经验的借鉴意义

  4. 本文调研材料清单

1. 最新MBSE落地方案: OpenMBEE & OpenCAE


在2019年INCOSE International Workshop上,NASA JPL做了题为"OpenCAE Case Study: Europa Lander Concept"的演讲。

演讲以Europa Lander(木卫二登陆器)项目为基础,介绍了NASA JPL当前基于模型的产品研发环境 – OpenMBEE和OpenCAE.

Europa上拥有大量水资源, 可能孕育生命

木卫二登陆器概念图

1) OpenMBEE


OpenMBEE全称为Open-source Model-Based Engineering Environment,是一套基于模型的协同研发环境,通过集成客户端建模工具、Web程序和模型数据库MMS,实现:

  • 模型数据的统一存储

  • 版本管理、流程管理和权限管理

  • 基于web的文档生成、模型查看

  • 提供RESTful webservices为更多工具集成提供接口

OpenMBEE在构成上分为三部分:

  • Model Management System (MMS),提供模型管理功能

  • View Editor (VE),提供web端的模型同步、查看、文档生成功能

  • Model Development Kit (MDK): 建模工具Web service接口

OpenMBEE与周边部署环境

ViewEditor界面

OpenMBEE的用户包含Boeing, Ford, NASA JPL, Lockheed, OMG, TMT等,不同用户的应用状态如下表所示(截至2018/01):

OpenMBEE代码均开源,详细信息可通过http://www.openmbee.org查看和下载

2) NASA JPL: OpenCAE


虽然上述OpenMBEE环境解决了系统工程基于模型的协同问题,但其仍然局限在系统建模(SysML模型),从产品研发全生命周期来看,缺少了与后端多学科领域设计数据的关联和同步

因此,在OpenMBEE基础上,JPL又提出了OpenCAE的概念 – Open Computer Aided Engineering,将OpenMBEE的理念从系统工程扩展到了Electrical, Mechanical和Software Engineering中,解决系统模型与多学科模型的数据集成问题


整个OpenCAE环境以中间数据管理为核心,通过Web Service实现与各个不同客户端建模工具的数据交互,包含SysML建模工具(MagicDraw),数学计算工具, 仿真优化工具,CAD, JIRA等,最终实现数据源唯一管理、跨部门数据协同

2. NASA MBSE历程: 2009~2019


NASA对于MBSE概念的接触始于2008年,该技术路线随后获得了几位管理高层支持。2009年之后,NASA开始在执行层面加大投入,先后在规划、推广和试点方面投入人力和资源。

总的来说,其MBSE技术引入和普及历程大致分为以下三个阶段,下文将展开分析:

  • 2009-2012:规划、推广和试点

  • 2013-2016:逐渐成熟

  • 2017-2019:成熟应用

1) 2009-2012:规划、推广和试点


a) 路线规划

NASA在引入MBSE初期即意识到了这是一个长期的技术转型,因此初期规划了2009-2016共7年的大概技术路线,大致分为了:

  • Phase I: Building,即MBSE能力构建

  • Phase II: Performing, MBSE项目落地

  • Phase III: Integrating, MBSE在产品全生命周期的应用,并构建基于模型的统一跨部门协同、管理平台

如下图所示:


b) 推广工作内容

为推动MBSE的落地实践,NASA在最初几年进行了大量的资源投入,以支撑MBSE的落地实践,这些工作包含但不限于:

  • 培训: 2011年前后,其已经完成了内部120+工程师的MBSE培训,其中50+积极实践者

  • 咨询资源引入: 积极引入MBSE内外部咨询专家资源

  • 内部沟通: 形成80+左右的MBSE技术沟通团队,每两周沟通一次

  • 经验总结与分享: JPL形成基于案例模型的SysML指导手册

  • 建模工具实践和扩展探索

    • 搭建起MBSE工具平台

    • 与高校合作暑期项目,探索工具之间集成路线

    • 基于模型的文档生成技术验证

c) 项目试点:2个案例

可公开获取资料中,2011、2012前后,NASA先后在Langley Research Center、Glenn Research Center先后进行了MBSE试点工作,具体试点项目内容如下。

Materials International Space Station Experiment-X (MISSE-X)

  1. 用户:NASA Langley Research Center,

  2. 项目团队及工作开展方式:在JPL的培训基础上进行试点。部分有MBSE基础的人+零基础项目人员(在项目试点过程中边看、边学)。

  3. 项目结论

    • 基于模型的系统设计方式需要巨大的前期投入

    • 但随之带来的价值同样明显,通过模型能够更加高效、准确地进行信息传递,在项目成员对基于模型的流程、工具更熟悉后,这种价值将会更加明显

  4. 遇到的挑战

    • MBSE相关知识储备不足

    • 缺少使用SysML进行该领域产品设计的经验指导

    • 通过模型进行系统设计,但同时仍然需要满足项目流程中对文档交付物的要求

    • 基于系统模型的仿真验证工作未涉及,并意识到构建系统级、跨领域的仿真模型难度较高

项目范围: 蓝色是项目相关内容,绿色为外部接口

系统结构分解


Space Communications Networks

  1. 用户: NASA Glenn Research Center

  2. 项目团队: 来自NASA不同部门专家团队,包含

    • Jet Propulsion Laboratory

    • Goddard Space Flight Center

    • Glenn Research Center

    • NASA Headquarters

  3. 项目内容: 将3个松散集成的通信网络系统 - the Near Earth Network (NEN), the Space Network (SN), and the Deep Space Network (DSN) 集成为统一管理和维护的通信网络系统。从理解当前已有系统开始,设计集成网络系统的架构。

  4. 项目结论

    • MBSE帮助实现了多个复杂系统架构的分析、对比和选择

    • MBSE能够建立多级复杂系统架构的完整关联追溯

    • 统一系统描述语言和唯一数据源使得系统多方案比选更高效

    • MBSE对复杂系统设计有价值,且在项目实施过程中体会更深

系统架构图:PPT vs 模型

d) 本体模型 & SysML

由于SysML中定义了各类产品构成元素(功能、结构等),以及元素之间的完整关联关系,这与本体的概念不谋而合。

因此,在2012年,NASA JPL开展了通过SysML模型转换形成本体模型,用以支撑其知识工程的工作。

2) 2013-2016: 逐渐成熟


a) 2013: 项目应用状态

基于前面几年的投入和铺垫工作,从2013年开始,NASA开始展开更大规模的MBSE应用,并开始考虑MBSE在产品全生命周期中的应用问题以及跨部门协同问题等。

2013年前后,NASA不同研究中心内部已经培养了大量MBSE专家,这些专家有力支撑了MBSE在不同项目上的落地。

在INCOSE International Workshop MBSE Workshop中,JPL专家提到其当前MBSE的项目应用已经接近20个。

b) 2014: 全生命周期应用拓展

2014年前后,NASA的MBSE应用已经从最初的系统方案设计,逐渐扩展到产品全生命周期中,包含概念选型、方案设计、集成仿真分析、系统验证V&V(测试规划)、报告自动生成等

NASA产品全生命周期

  • 产品架构方案分析比选

  • 产品设计

  • 基于模型的测试规划

  • 基于模型的仿真分析测试

  • 文档自动生成

c) 2015: 基于模型的协同工作环境OpenMBEE

基于模型的企业级跨部门协同方案 - MBEE概念提出,原始需求为是希望搭建一套平台,实现:

  • 实现模型数据统一管理,包含数据版本管理、流程管理、权限管理

  • 实现网页端模型查看、报告生成

  • 基于Web Service的数据调用

但在当时该方案尚未成熟落地。

d) 2016: NASA GRC MBSE应用状态更新

NASA GRC在公开介绍中更新了当时MBSE在其内部的应用状态。

从2012年最开始的试点项目,到2016年的MBSE应用项目超过7个,且在产品全生命周期都有应用

3) 2017-2019: 成熟应用



到2017年前后,NASA的MBSE应用已经基本成熟,MBSE生态已经建立,主要工作是在更大范围地普及和推广,以及在真实项目应用中的价值深度挖掘

a) 2017:应用总结 & OpenCAE概念提出

2017 NASA MBSE应用总结

  • 累计开展30+场SysML培训课程

  • 多个研发中心开展了MBSE研讨会

  • 所有团队都进行过大量系统建模工作,并各自总结项目经验

  • 开展基于模型的框架集成工作

  • 推进云端部署:包含浮动license共享、模型数据的统一存储和共享

NASA JPL OpenCAE概念提出

这一年,NASA JPL在工具落地方案方面也进行了更新:

  • 更新OpenMBEE方案内容,并建立统一维护网站” http://www.openmbee.org/

  • 提出更加具体和落地的OpenCAE概念和方案

b) 2018:OpenCAE更新&企业技术成熟度评估表

在2018年,MBSE在NASA内部多个研究中心已形成最佳实践,包含NASA Jet Propulsion Laboratory, NASA Glenn Research Center, NASA Goddard Space Flight Center等。

同年,NASA JPL公布了基于模型的协同环境 - OpenCAE更成熟版本

在2018 INCOSE International Workshop上,NASA MSFC联合The Aerospace Corporation上共同发布MBSE技术成熟度评估表单


c) 2019:OpenCAE & 企业技术成熟度评估表版本更新

更新OpenCAE平台方案与企业MBSE技术成熟度评估表

3. NASA MBSE的借鉴意义


对于当前国内目前正在实践MBSE的企业来说,NASA现阶段较为成熟的OpenMBEE & OpenCAE方案、技术成熟度评估方法可以作为企业落地MBSE的参考路标

同时,其10年MBSE推广历程中遇到的困难、积累的经验也可帮助企业明确MBSE的技术发展路线,更清晰的认识MBSE引入可能的挑战、需要的投入及落地后的价值

试点项目中可能遇到的挑战

  • 基于模型的设计语言学习

  • 研发管理流程需要适应新的研发方式

  • 从单个部门应用到产品全生命周期应用的协同问题

  • 系统级仿真分析的实现

NASA MBSE成功落地背后的推动力

  • 人才的培养

  • 项目实践

  • 持续地投入(高层支持)

  • 外部顾问资源、与业内的技术沟通与共享,与时俱进

4. 本文调研材料清单



  • 2017 Annual INCOSE International Workshop, “NASA Model-Based Systems Engineering Pathfinder 2016 Summary and Path Forward”, NASA Glenn Research Center & NASA Engineering and Safety Center

  • 2011, Experiences Deploying MBSE at NASA JPL

  • Jenkins S, Rouquette N. Progress on Integrating OWL and SysML[J]. 2012.

  • Vipavetz K, Murphy D, Infeld S. Model-Based Systems Engineering Pilot Program at NASA Langley[C]//AIAA SPACE2012 Conference & Exposition. 2012: 5165.
  • Bhasin K, Barnes P, Reinert J,et al. Applying model based systems engineering to NASA's space communications networks[C]//2013 IEEE International Systems Conference (SysCon). IEEE, 2013:325-330.
  • Nichols D, Lin C. Integrated Model-Centric Engineering: The Application of MBSE at JPL Through the LifeCycle[C]//INCOSE International MBSE Workshop. 2014.
  • Christopher L D, Cin-Young L, Marie P. Model-Based Engineering Environment for Model-Based Systems Engineering
  • Parrott E, Trase K, Green R, etal. NASA GRC MBSE Implementation Status[J]. 2016.
  • Weiland K, Holladay J. NASA Model-Based Systems Engineering Pathfinder 2016 Summary and Path Forward[C]//2017 Annual INCOSE International Workshop, Los Angeles, CA. 2017.
  • Edith P. The Value of Successful MBSE Adoption
  • Christopher D. The Workshop of Change for the Information Craftsman[C]//2017 Annual INCOSE International Workshop, Los Angeles, CA. 2017.
  • Madni A M, Sievers M. Model‐based systems engineering: Motivation, current status, and research opportunities[J]. Systems Engineering, 2018, 21(3): 172-190.
  • Robert K. NASA JPL Systems Environment//2018 OMG Technical Meeting, Seattle,WA, USA.
  • Hale J, Hoheb A. Digital Engineering (DE) Capabilities Definition Document[J]. 2018.
  • Eric W Brower. OpenCAE Case Study: Europa Lander Concept[C]//2019Annual INCOSE International Workshop, Torrance, CA, USA. 2019.

来源:安怀信正向设计研发港

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首次发布时间:2024-05-19
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