模型系统工程(MBSE)解释

基于模型的系统工程(MBSE)是一种专注于创建和开发数字系统和工程领域的方法论模型作为交换信息、反馈和需求的主要手段，与以文档为中心的系统工程相反。它涉及捕获、通信的整个过程，并确保我们用于表示系统的所有数字模型在系统的整个生命周期中得到协调和维护。

大约在1990年之前，系统工程设计很可能是一堆相关的论文和文档，其中包含关于系统如何工作的图纸、图表、数学公式、需求和其他规范。但大约在那个时候，项目变得太大了，无法依赖于不相连的文档。问题包括(除其他外):

• 随着系统概念的发展，维护设计规范:如果工程师在一个文档上更改了一个维度，他们必须遍历整个文档堆栈，并确保在包含该维度的每个其他文档中都进行了相同的更改。如果存在其他副本，则不能确定更改是否记录在所有副本中。
• 人类解释:考虑到人类书写系统和理解的模糊性，两个工程师完全有可能阅读规范中的同一句话，并得出不同的含义。
• 可验证性:您如何确保在模型的某一页上进行的计算是无错误的，然后再将其作为流程中另一个计算的输入?

开发MBSE是为了用“智能”数字模型取代静态文档，这些模型包含关于系统的所有重要内容——需求、体系结构和系统各部分之间的接口。这些数字模型由一条“数字线”连接起来，可以通过它来理解整个设计，而不是将纸质文档组织成文件夹。

主要的系统架构师模型(SAM)为参与项目的每个人提供了“权威的真相来源”。这个数字模型有一个中心位置，所有参与项目的工程师都可以访问，但不能独立于其他人进行修改，从而保持了事实的单一来源。所做的任何更改都会在整个模型中自动传播，并由软件检查内部的一致性和准确性。

MBSE的核心组件

MBSE依赖于三个主要组件:

1. 在SAM中，正在设计的系统由一系列连接的框图表示，以描述系统的物理和功能架构。它还包含了系统被要求具有的质量或被要求执行的功能的全面列表(需求)。sam是使用专门的软件程序创建的，并利用专门构建的语言来描述系统架构。
2. 工程仿真软件。SAM可以比作计算机辅助设计(CAD)图纸:它详细地描述了系统，但仅从SAM无法判断系统是否满足要求。为此，SAM必须与工程仿真相结合。如果你设计的飞机需要承受6g的压力，那么工程师需要运行一个模拟来告诉他们他们设计的飞机是否能胜任这项任务。因为一个复杂的系统可能需要工程师执行许多不同类型的仿真求解器——结构、流体、电磁、嵌入式软件、安全、网络安全等等——能够使用许多不同类型的仿真工具是很重要的。
3. 一个集中计算中心。无论是在公司内部还是在云端，这个集中计算中心都包含SAM和可执行软件。它执行MBSE进程的所有功能并存储所有结果。

利用Ansys软件工具实现MBSE环境

在MBSE中，SAM、CAD和计算机辅助工程(CAE)仿真工具的组合创建了将所有模型和工程数据连接在一起的“数字线程”。这发生在设计周期的早期，并在产品的整个运行生命周期中继续发挥作用，直到退出使用。当进行更改时，数字线程确保对一个模型的更新自动传输到系统中的所有模型。

Ansys软件并不创建SAM，而是提供了验证系统设计所需的各种工程模拟，最重要的是，提供了一种连接它们的方法。Ansys ModelCenterAnsys在2021年收购Phoenix Integration时获得的软件产品，提供了工程模拟软件和SAM之间的连接，使工程师能够虚拟验证他们的设计。因此，如果您正在处理一个具有包含结构、流体、电磁、安全和嵌入式软件模拟的数字模型的项目，ModelCenter将协调来自的操作和数据收集Ansys机械，Ansys流利，Ansys基于，Ansys medini分析，Ansys SCADE，以及任何其他模拟工具，并将这些模拟连接到SAM以启用MBSE。ModelCenter与Ansys提供开放生态系统的整体公司战略一致，是一个供应商中立的解决方案，可以自动执行工作流中的任何模拟工具，甚至是来自其他软件供应商的工具。

随着设计周期的推进和产品设计的完善，工程师可以使用Ansys MBSE技术来评估设计系统是否满足指定的要求，或者是否需要进行更改。当对需求或SAM进行更改时，整个过程可以重复，直到结果满足规格，验证设计在产品的整个生命周期中按预期工作。只有在满足了这些需求之后，团队才会构建设计的物理原型来对其进行物理测试。

MBSE的价值在于，它能够在整个设计生命周期中以及尽可能早地在设计生命周期中做出更好的决策。涉众越早发现问题，纠正问题就越容易、成本越低。

MBSE通过支持有纪律的系统工程方法，提供从需求到退休的价值。数字模型可以根据单一的事实来源进行检查、验证和验证，确保模型的内部一致性，从而提高交付、产品产量以及最高和最低利润。

例子:高性能飞机设计

举个例子，假设空军招标设计一种新飞机，这种飞机单载燃料可以飞行3000英里。你可以用老方法设计、制造和测试飞机，也可以使用基于模型的方法。

如果你决定使用采用MBSE方法设计这种复杂的新飞机，您将首先创建一个SAM，它记录了飞机的所有重要要求(包括它需要能够在单载燃料的情况下飞行3000英里的要求)。然后，您将使用SAM来描述您打算构建的设计，包括系统架构、所需的行为、系统组件之间的接口等等。此时，您将使用模拟来验证您描述的设计是否满足所有需求(物理和行为)。模拟将包括验证空气动力学的流体模拟、验证机械强度的结构模拟、验证通信设备功能的电磁模拟等。

对于更复杂的、基于任务的应用程序，工程师可以使用华体会体育APP在线下载数字任务工程软件模拟现代航空航天和国防任务中复杂的“系统中的系统”结构。华体会体育APP在线下载数字任务工程结合了数字建模、仿真、测试和分析航空航天用于评估系统生命周期每个阶段的任务结果。这些任务可能涉及数百个地面、空中、水或天基武器系统，所有这些系统都必须进行通信和协调行动。华体会体育APP在线下载数字任务工程模拟使工程师和军事人员能够使用基于物理的模拟来虚拟执行复杂的任务，这使他们对任务有信心。

在一个真实的例子中，洛克希德·马丁航天公司使用利用Ansys ModelCenter模拟OSIRIS-Rex航天器的任务轨迹，该航天器的任务是在“一触即发”的操作中抓取小行星样本。2020年10月，OSIRIS-REx成功地进行了这次演习，收集了至少60克的样本，比以往任何其他样本检索任务的样本量都大得多。它将于2023年将样本返回地球。

“自动化并将模拟集成到该系统模型中，使团队能够快速识别任务需求变化的潜在问题，并在航天器的整个生命周期中对需求和任务设计参数进行持续验证……”said Phathom Athena Donald, a Systems Engineer for Lockheed Martin Space. “The overall improvement versus the original process was about a 7X speedup in turnaround time.”

美国国防部推动MBSE的采用

到目前为止，对MBSE最大的推动来自美国国防部(DoD)，该部门于2015年1月7日发布了DoDI 5000.02。附录3，本文档第9节涉及建模和仿真。第一行写着:“项目经理将把建模和仿真活动集成到项目规划和工程工作中。”通过这个简单的声明和DoDI 5000.02中的细节，国防部基本上使MBSE成为与美国国防和武器系统相关的所有提案的要求。这一指令使得A&D部门成为MBSE的主要支持者，在很大程度上是为了避免项目延误和成本超支。

根据国防部的要求，诺斯罗普·格鲁曼公司在2020年提交了一份基于mbse的提案，该提案为他们赢得了美国空军地面战略威慑(GBSD)项目的主要合同。GBSD旨在实现美国陆基核基础设施的现代化，用一种综合武器系统取代老旧的LGM-30“民兵III”洲际弹道导弹系统(ICBM)，该系统将满足到2075年的国防需求。

但是，尽管A&D处于领先地位，其他行业也在迅速追赶。汽车行业为了寻求复杂的自动驾驶挑战的解决方案，也正在迅速采用MBSE。随着半导体、医疗设备、替代能源、智能电网和5G通信等其他领域复杂性的增加，MBSE的采用可能也会加速。

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