基于模型的系統工程（MBSE）應用于飛機概念設計探討

羅 松，魏榕祥，林資平，沈 亮，呂 婧

（航空工業洪都，江西 南昌 330024）

基于模型的系統工程（MBSE）應用于飛機概念設計探討

羅 松，魏榕祥，林資平，沈 亮，呂 婧

（航空工業洪都，江西 南昌 330024）

通過分析目前飛機概念設計中存在的問題和設計需求，引入基于模型的系統工程（MBSE），并根據歸納MBSE的流程、實現方法和應用特點，分析了MBSE解決飛機概念設計問題的技術可行性，并指出了MBSE的發展趨勢及其應用在技術、管理和思想等方面的諸多挑戰。

基于模型的系統工程；飛機概念設計；設計問題；應用分析

0 引言

概念設計是飛機設計的初始階段，該過程涉及氣動、結構、電子、控制等眾多學科，同時包含大量的設計變量、狀態變量和關聯約束，是一個需反復迭代、高度綜合的創造過程。該過程占用約8%的研制時間和不到10%的成本投入，但其做出的具有全局性影響的重大決策，卻確定了飛機約80%的全壽命成本。然而，當前飛機設計師利用目前依據經驗、文檔的傳統設計方法，設計現代高度復雜的飛機系統顯得力不從心。美國AIAA將傳統飛機概念設計的問題概況為：概念設計的綜合程度低，不能充分利用概念設計階段的自由度來提高設計整體水平，也不能集成多學科實現最優化，更不能達到新增需求情況下的平衡設計。如何用更好的方法開展概念設計始終是飛機設計師關注的重要課題。

1 當前概念設計需求分析

1.1 存在的問題

飛機研制存在的普遍現象是降性能、拖進度、漲費用，即使飛機按設計要求交付了，用戶在使用時也不滿意。這些都同飛機設計過程中，特別是飛機概念設計的因素密切相關，主要表現為概念設計中需求不明確、設計協調差和綜合水平低等方面：

1)重方案，輕需求

我國航空工業起步晚，走過了仿制、引進、再創新的發展道路，當前對飛機的整個使用定義和使用需求的研究不夠，還沒有建立完整的正向設計能力；

2)設計協調性差

對需求、約束和矛盾的梳理不夠清晰、系統，缺乏清晰、系統的總體概念方案等頂層設計，導致方案設計推進中常常顧此失彼，反復頻繁，研發周期漫長且不可控；

3)綜合水平低

對飛機復雜設計的綜合優化程度低，“拍腦袋”決策多，設計水平或質量不高；概念設計過程缺乏驗證，難以保證方案總體上滿足設計要求。

同時，設計方案、數據以文字或圖片形式散落在數以千計的各類文檔中，設計師很難直觀、完整地把握，在查找與理解、變更與追溯、知識復用、狀態控制及評審決策等方面存在障礙。

1.2 概念設計的需求

為保證飛機整個設計的有效性、高效性和系統性，對概念設計提出了以下要求：

1)應對復雜性

飛機設計各專業設計參數數量大、相互間交互性復雜，且多學科專業之間參數交互性更為復雜，特別需要一種方法論及工具去直觀描述復雜系統特征，使在整個設計過程中，各參數統一協調，直觀地關聯，以減少繁復工作。

2)應對需求多變

由于任務系統的動態復雜性、現代科學技術日新月異，在飛機長達數十年的研發周期里需求變更問題異常突出，因此需要飛機設計方法能及時響應并有效應對其需求變化，使得變更的影響清晰明了且相應設計方案具有足夠的適應性。

3)應對數據龐雜

要有效提高設計效率，高效組織并展現設計過程中的龐雜數據則非常關鍵。比如多學科、多專業的設計協同需要數據的一致性，設計的復用和迭代需確保數據的可追溯性等。

2 解決方法—基于模型的系統工程

面對飛機設計中的上述需求，作為解決復雜系統設計領域的新方法——基于模型的系統工程方法，被普遍認為是飛機概念設計進行綜合設計最有效的解決方案。

2.1 MBSE及其實現

所謂基于模型的系統工程（MBSE）是指“對系統工程活動中建模方法的正式化、規范化應用，以使建模方法支持系統要求，設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有生命周期。”

系統工程在進行飛機等復雜產品的設計時，采用正向設計過程，即從飛機所處環境的“外在行為”到“內在功能”再到“物理構造”的設計過程進行展開。對應的設計過程是由需求分析、功能分析和設計綜合等3個相互依賴、反復迭代和遞歸的環節構成，如圖1。基于模型的系統工程（MBSE）即是上述設計流程中不再使用自然語言描述，而是用系統建模語言構建可運行的系統模型，對系統靜態結構和動態行為等進行建模，通過構建形象化的系統模型來表達系統邏輯、描述系統功能。如圖2所示，在需求分析中構建需求圖、用例圖，在功能分析中構建順序圖、活動圖及狀態圖，在設計綜合中構建塊圖、參數圖等。

下面以MBSE的需求分析和設計綜合等典型環節來說明這一過程。

需求分析是把用戶的需求及外部環境的約束變換成系統要求。MBSE需求分析是“黑盒”分析建模過程，如圖3，依據“運行使用”創建飛機用例圖，根據用例圖創建黑盒活動圖、黑盒順序圖、黑盒狀態圖等模型，并對模型進行執行，以產生和完善結構化條目化的需求并確認飛機需求的正確性與完整性。

設計綜合是通過功能分析和分配來構建功能架構，并根據現有的技術條件，把功能架構“映射”成物理架構，從而完成具體方案的設計。MBSE設計綜合是“白盒”分析建模過程，把需求分析中獲得的黑盒活動圖模型，按照選定的架構打開黑盒，把飛機的各性能功能分配到系統，得到白盒活動圖模型；依據白盒活動圖設計得到白盒順序圖模型；根據白盒順序圖，識別系統間的交互關系和接口，建立白盒狀態圖模型，執行模型完成驗證，進入下一個層次的迭代，直至完成整個飛機概念設計方案的定義，如圖4。

2.2 MBSE應用分析

由上述過程可見，MBSE在飛機設計上同傳統方法有很大差別，主要特點可概括為：

1）在需求上，以需求為主線，并將需求與描述使用運行場景的系統行為和結構等模型相關聯，通過模型的多視角分析、關聯矩陣等，實現了需求同使用、需求同功能以及需求同模型的關聯，保證了需求能被完整地識別、分解以及同系統使用（功能）間的可追溯性；

2）在設計上，通過直觀的模型圖來描述系統運行的行為和狀態等，并可通過系統模型的運行來驗證系統功能的完整性、協調性和正確性，在一開始設計就進行驗證和確認，從而避免系統設計頂層錯誤以及其對后續產生更大影響；

3）在方法上，基于模型的系統工程實現了需求（模型）和系統模型的關聯互動，通過不斷擴充和展開描述系統的模型及其分析和運行，實現了系統設計的正向、連續傳遞：以需求為脈絡，從用例分析（任務場景分析）→功能分析→架構設計（功能的邏輯實現，系統功能實現的技術路徑和框架）→物理設計（邏輯架構的物理實現），并且通過模型仿真運行來不斷保證全過程需求的滿足性和設計的符合性。

高水平的設計是靠方法論和流程來保證，什么樣的方法和流程決定了什么樣的質量和效率。基于模型的系統工程方法能從根本上解決當前國內飛機概念設計過程中的主要問題。

首先，“重方案，輕需求”問題的根源是不了解飛機使用；而系統工程的正向設計要求一開始就要考慮飛機的任務運行使用，并通過需求為主線的需求工程將需求貫徹到設計的方方面面，實現“需求驅動”的飛機設計。“設計協調性差”主要是設計頂層上不能做到系統設計的完整和協調；而MBSE實際上在數字世界里實現了使用-設計-使用的閉環，通過基于使用并描述系統功能、行為的一系列模型來“刻畫”整個系統，并在使用運行環境下模型的仿真確認，來推動整個系統設計的綜合優化。

基于模型的系統工程建立了賽博世界（數字模型）同現實物理世界的橋梁，并實現了復雜系統設計全過程的顯性化。這在產品復雜性、需求多變性和數據龐雜性的復雜系統工程開發中，真正實現了高效、綜合地運用信息、系統嚴謹地展開開發。研究其在飛機概念設計中的應用，對提高飛機設計的整體水平、縮短研制周期和減少研制費用都有重要意義。

3 應用MBSE的挑戰

從理論及最佳實踐看，MBSE是解決當前飛機概念設計中綜合、協同、需求等關鍵問題的最佳方案，其推廣應用無疑會帶來飛機設計上的一次革命；但要全面建立基于MBSE型號研發新模式，在技術、管理和思想上都面臨巨大的挑戰。MBSE應用尚處于探索階段，需要國內飛機設計主動融入國際主流，吸收成熟技術和方法，提升MBSE應用水平。

在技術上，MBSE推廣應用需要整個航空設計行業的共同努力，比如在系統建模的語言，需要學術界研究與工業界應用形成統一的建模和分析標準，并由此建立統一接口的標準模型。這類似“蘋果IOS生態”下的APP資源，能在統一的架構下擴展應用范圍以增強對復雜系統的“刻畫”能力。另外，系統建模語言（如SysML）迫切需要發展，以增強描述系統性能特性的能力，同時與之配套的工具也需要完善發展。

在管理上，系統描述方式從隱晦文字到直觀模型的轉變，使得信息的溝通和使用更為直接、清晰，信息的高效利用將使得我們的綜合和協作水平前所未有的提升。比如運用需求工作包模式將使得復雜項目的組織更加開放和多元；設計過程中更多成熟技術的“固化”將使設計工作更加顯性化，從而更易于管理上的量化考核；知識高效復用也將使得設計工作更加高效、簡潔，從而使得研發投入更加關注其核心——用戶需求以及技術創新，這些底層生產力方面的變化必將導致組織管理層面的變革。例如實施正向設計過程，會帶來不同于按專業劃分的人員組織，需增加專門的需求分析師、架構設計師等。

在思想上，“基于需求的設計”、“基于模型的設計”的設計理念，相對于當前我們由跟隨、模仿長期積淀下來的——“一拿到工作腦袋就蹦出具體解決措施”、總體綜合習慣用“辯證法”“拍腦袋”做決定等松散、粗放的工程思維存在巨大差異。或許我們無法理解：國產某商用飛機同國外某著名廠商進行航電合作時，該廠商花了數年時間來梳理某航電設備的需求，而僅這些需求（不包含解決方案）在轉讓給中方時要價上千萬美元。這體現了底層思想的差異，而思維層面的差異會影響到我們工作的流程、方法和實施細節等方方面面。推廣MBSE還需要我們去強化系統工程思想。

4 結語

從飛機研制的現實需求、技術發展、工程實踐來看，傳統系統工程向MBSE轉變是大勢所趨，也是迫切需要。MBSE不僅代表了系統工程的最新進展，也是應對復雜系統、面對不確定性設計和決策的公認解決方案。MBSE的未來，既取決于理論研究，更取決于工程領域的應用探索。在當前飛機概念設計上推廣MBSE應用，在思想、管理和技術上存在較大挑戰，國內目前正處在積極探索階段。

[1]張新國譯，國際系統工程協會（INCOSE），系統工程手冊：系統生命周期流程和活動指南（中英文對照）[M]，北京：機械工業出版社，2013，10.

[2]張新國譯，基于模型的系統工程（MBSE）方法論綜述：中英文對照 [M]，北京：機械工業出版社，2014，10.

[3]王崑聲，等.國外基于模型的系統工程方法研究與實踐[J].中國航天,2012(11):52-57.

[4]孫煜,梁琰，馬力.基于模型的系統工程與SysML應用研究 [J].信息系統工程,2012(10):114-118.

[5]毛寅軒,袁建華.基于模型系統工程方法研究與展望[J].電腦開發與應用,2014(4):71-75.

>>>作者簡介

羅松，男，1983年1月出生，2003年畢業于西北工業大學，高級工程師，現從事飛機設計工作。

Study of the Application of Model based System Engineering in Aircraft Conceptual Design

Luo Song，Wei Rongxiang，Lin Ziping，Shen Liang，Lv Jing
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

By analyzing the existing problems and design requirements of aircraft conceptual design,the model based system engineering(MBSE)is introduced to solve the problem in a suitable way.Then by concluding the process, realization method and application characteristics of the MBSE,this paper analyzes the technology feasibility of MBSE to solve the aircraft conceptual design problem and points out the development trend of MBSE and the challenges of its application in technology,management and thought.

MBSE；Aircraft conceptual cesign；Design problem；Application analysis

2017-03-29）