讲解基于模型的系统工程(MBSE)

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模型作为交换信息、反馈和需求的主要手段，而不是以文档为中心的系统工程。它包括捕获、交流的整个过程，并确保我们用来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。

在大约1990年之前，系统工程设计可能是一堆相关的论文和文档，其中包含了关于系统如何工作的图纸、图表、数学公式、需求和其他规格说明。但大约在那个时候，项目变得太大，无法依赖于不连贯的文档。问题包括(其中包括):

• 随着系统概念的发展，维护设计规范:如果工程师更改了一个文档中的单个维度，他们必须检查整个文档堆栈，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，则无法确保在所有副本中都记录了更改。
• 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个句子，但得到不同的含义。
• 可验证性:如何确保在模型的某一页上进行的计算没有错误，然后将其用作流程中进一步计算的输入?

开发MBSE是为了用“智能”数字模型取代静态文档，这些模型包含了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。这些数字模型不是被组织到文件夹中的纸质文件，而是通过一条“数字线”连接起来，可以跟随它来理解整个设计。

总体系统架构师模型(SAM)为每个从事项目工作的人提供“权威的事实来源”。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依赖于三个主要组成部分:

1. 在SAM中，正在设计的系统由一系列相连的框图表示，以描述系统的物理和功能架构。它还包含系统需要具备的质量或需要执行的功能的综合列表(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可以与计算机辅助设计(CAD)图相比较:它详细地描述了系统，但是没有办法仅从SAM来判断系统是否满足要求。为此，SAM必须与工程仿真相结合。如果你正在设计的飞机需要承受6g的压力，那么工程师们就需要进行模拟来告诉他们他们正在设计的飞机是否能够完成这项任务。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——能够使用许多不同类型的仿真工具是很重要的。
3. 一个集中的计算中心。无论位于公司内部还是云端，这个集中式计算中心都包含SAM和可执行软件。它执行MBSE流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“数字线程”，将所有模型和工程数据连接在一起。这发生在设计周期的早期，并在产品的整个操作生命周期中继续发挥作用，直到它停止使用。当进行更改时，数字线程确保对一个模型的更新自动转移到系统中的所有模型。

Ansys软件不创建SAM，而是提供验证系统设计所需的广泛的工程模拟，最重要的是，提供一种连接它们的方法。Ansys ModelCenterAnsys于2021年收购Phoenix Integration时获得的软件产品，提供了工程仿真软件和SAM之间的连接，使工程师能够虚拟验证他们的设计。因此，如果您正在从事一个包含结构，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。与Ansys提供开放生态系统的整体企业战略一致，ModelCenter是一个供应商中立的解决方案，可以在工作流中自动执行任何仿真工具，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细化，工程师可以使用Ansys MBSE技术来评估设计的系统是否满足规定的要求，或者是否需要进行更改。当对需求或SAM进行更改时，可以重复整个过程，直到结果满足规范，验证设计在产品的整个生命周期中都能按预期工作。只有在满足了这些需求之后，团队才能构建设计的物理原型，并对其进行物理测试。

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

MBSE通过启用规范的系统工程方法，提供从需求到退役的价值。数字模型可以根据单一的真实来源进行检查、验证和验证，从而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底线。

MBSE例子:高性能飞机设计

举个例子，假设空军投标设计一种新飞机，这种飞机可以单载燃料飞行3000英里。您可以用老方法设计、建造和测试飞机，也可以使用基于模型的方法。

如果你决定使用用MBSE方法来设计这个复杂的新平面，您将首先创建一个SAM，该SAM记录了飞机的所有重要需求(包括它需要能够在一次装载燃料的情况下飞行3000英里的需求)。然后，您将使用SAM来描述您打算构建的设计，包括系统体系结构、期望的行为、系统组件之间的接口等。此时，您将使用模拟来验证您所描述的设计是否满足所有需求(物理和行为)。模拟将包括用于验证空气动力学的流体模拟、用于验证机械强度的结构模拟、用于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，工程师可以使用华体会体育APP在线下载数字化任务工程软件模拟现代航空航天和国防任务的复杂“系统的系统”结构。华体会体育APP在线下载数字任务工程将数字建模、仿真、测试和分析相结合航空航天在系统生命周期的每个阶段评估任务结果。这些任务可能涉及数百个地面、空中、水或天基武器系统，它们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仿真使工程师和军事人员能够使用基于物理的仿真来虚拟地执行复杂的任务，这给了他们对任务的信心。

在一个现实世界的例子中，Lockheed Martin Space使用Ansys ModelCenter来模拟OSIRIS-Rex航天器的任务轨迹，该航天器的任务是在“触碰即走”操作中抓取小行星样本。2020年10月，OSIRIS-REx成功地进行了这次机动，收集了至少60克的样本，这比以往任何其他样本采集任务的样本数量都要大得多。它将于2023年将样本送回地球。

“将仿真自动化并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的最大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。本文件附件3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计划和工程工作中。”通过这个简单的声明和DoDI 5000.02中的细节，国防部基本上将MBSE作为与美国国防和武器系统相关的所有提案的要求。该指令使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。

根据国防部的这一要求，诺斯罗普·格鲁曼公司于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基战略威慑(GBSD)项目的主合同。GBSD旨在使美国陆基核基础设施现代化，用一种集成武器系统取代老化的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，虽然A&D处于领先地位，但其他行业正在迅速赶上。为了解决复杂的自动驾驶挑战，汽车行业也在迅速采用MBSE。随着半导体、医疗设备、替代能源、智能电网和5G通信等其他领域的复杂性增加，MBSE的采用可能也会加速。

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