羅 松，魏榕祥，林資平，沈 亮，呂 婧

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）應(yīng)用于飛機概念設(shè)計探討

羅 松，魏榕祥，林資平，沈 亮，呂 婧

（航空工業(yè)洪都，江西 南昌 330024）

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

基于模型的系統(tǒng)工程；飛機概念設(shè)計；設(shè)計問題；應(yīng)用分析

0 引言

概念設(shè)計是飛機設(shè)計的初始階段，該過程涉及氣動、結(jié)構(gòu)、電子、控制等眾多學(xué)科，同時包含大量的設(shè)計變量、狀態(tài)變量和關(guān)聯(lián)約束，是一個需反復(fù)迭代、高度綜合的創(chuàng)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(dāng)前飛機設(shè)計師利用目前依據(jù)經(jīng)驗、文檔的傳統(tǒng)設(shè)計方法，設(shè)計現(xiàn)代高度復(fù)雜的飛機系統(tǒng)顯得力不從心。美國AIAA將傳統(tǒng)飛機概念設(shè)計的問題概況為：概念設(shè)計的綜合程度低，不能充分利用概念設(shè)計階段的自由度來提高設(shè)計整體水平，也不能集成多學(xué)科實現(xiàn)最優(yōu)化，更不能達到新增需求情況下的平衡設(shè)計。如何用更好的方法開展概念設(shè)計始終是飛機設(shè)計師關(guān)注的重要課題。

1 當(dāng)前概念設(shè)計需求分析

1.1 存在的問題

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

1)重方案，輕需求

我國航空工業(yè)起步晚，走過了仿制、引進、再創(chuàng)新的發(fā)展道路，當(dāng)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(shè)計能力；

2)設(shè)計協(xié)調(diào)性差

對需求、約束和矛盾的梳理不夠清晰、系統(tǒng)，缺乏清晰、系統(tǒng)的總體概念方案等頂層設(shè)計，導(dǎo)致方案設(shè)計推進中常常顧此失彼，反復(fù)頻繁，研發(fā)周期漫長且不可控；

3)綜合水平低

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

同時，設(shè)計方案、數(shù)據(jù)以文字或圖片形式散落在數(shù)以千計的各類文檔中，設(shè)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(fù)用、狀態(tài)控制及評審決策等方面存在障礙。

1.2 概念設(shè)計的需求

為保證飛機整個設(shè)計的有效性、高效性和系統(tǒng)性，對概念設(shè)計提出了以下要求：

1)應(yīng)對復(fù)雜性

飛機設(shè)計各專業(yè)設(shè)計參數(shù)數(shù)量大、相互間交互性復(fù)雜，且多學(xué)科專業(yè)之間參數(shù)交互性更為復(fù)雜，特別需要一種方法論及工具去直觀描述復(fù)雜系統(tǒng)特征，使在整個設(shè)計過程中，各參數(shù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，直觀地關(guān)聯(lián)，以減少繁復(fù)工作。

2)應(yīng)對需求多變

由于任務(wù)系統(tǒng)的動態(tài)復(fù)雜性、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)日新月異，在飛機長達數(shù)十年的研發(fā)周期里需求變更問題異常突出，因此需要飛機設(shè)計方法能及時響應(yīng)并有效應(yīng)對其需求變化，使得變更的影響清晰明了且相應(yīng)設(shè)計方案具有足夠的適應(yīng)性。

3)應(yīng)對數(shù)據(jù)龐雜

要有效提高設(shè)計效率，高效組織并展現(xiàn)設(shè)計過程中的龐雜數(shù)據(jù)則非常關(guān)鍵。比如多學(xué)科、多專業(yè)的設(shè)計協(xié)同需要數(shù)據(jù)的一致性，設(shè)計的復(fù)用和迭代需確保數(shù)據(jù)的可追溯性等。

2 解決方法—基于模型的系統(tǒng)工程

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

2.1 MBSE及其實現(xiàn)

所謂基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）是指“對系統(tǒng)工程活動中建模方法的正式化、規(guī)范化應(yīng)用，以使建模方法支持系統(tǒng)要求，設(shè)計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念設(shè)計階段開始，持續(xù)貫穿到設(shè)計開發(fā)以及后來的所有生命周期?！?/p>

系統(tǒng)工程在進行飛機等復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計時，采用正向設(shè)計過程，即從飛機所處環(huán)境的“外在行為”到“內(nèi)在功能”再到“物理構(gòu)造”的設(shè)計過程進行展開。對應(yīng)的設(shè)計過程是由需求分析、功能分析和設(shè)計綜合等3個相互依賴、反復(fù)迭代和遞歸的環(huán)節(jié)構(gòu)成，如圖1。基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）即是上述設(shè)計流程中不再使用自然語言描述，而是用系統(tǒng)建模語言構(gòu)建可運行的系統(tǒng)模型，對系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為等進行建模，通過構(gòu)建形象化的系統(tǒng)模型來表達系統(tǒng)邏輯、描述系統(tǒng)功能。如圖2所示，在需求分析中構(gòu)建需求圖、用例圖，在功能分析中構(gòu)建順序圖、活動圖及狀態(tài)圖，在設(shè)計綜合中構(gòu)建塊圖、參數(shù)圖等。

下面以MBSE的需求分析和設(shè)計綜合等典型環(huán)節(jié)來說明這一過程。

需求分析是把用戶的需求及外部環(huán)境的約束變換成系統(tǒng)要求。MBSE需求分析是“黑盒”分析建模過程，如圖3，依據(jù)“運行使用”創(chuàng)建飛機用例圖，根據(jù)用例圖創(chuàng)建黑盒活動圖、黑盒順序圖、黑盒狀態(tài)圖等模型，并對模型進行執(zhí)行，以產(chǎn)生和完善結(jié)構(gòu)化條目化的需求并確認飛機需求的正確性與完整性。

設(shè)計綜合是通過功能分析和分配來構(gòu)建功能架構(gòu)，并根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)條件，把功能架構(gòu)“映射”成物理架構(gòu)，從而完成具體方案的設(shè)計。MBSE設(shè)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(gòu)打開黑盒，把飛機的各性能功能分配到系統(tǒng)，得到白盒活動圖模型；依據(jù)白盒活動圖設(shè)計得到白盒順序圖模型；根據(jù)白盒順序圖，識別系統(tǒng)間的交互關(guān)系和接口，建立白盒狀態(tài)圖模型，執(zhí)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(shè)計方案的定義，如圖4。

2.2 MBSE應(yīng)用分析

由上述過程可見，MBSE在飛機設(shè)計上同傳統(tǒng)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(tǒng)行為和結(jié)構(gòu)等模型相關(guān)聯(lián)，通過模型的多視角分析、關(guān)聯(lián)矩陣等，實現(xiàn)了需求同使用、需求同功能以及需求同模型的關(guān)聯(lián)，保證了需求能被完整地識別、分解以及同系統(tǒng)使用（功能）間的可追溯性；

2）在設(shè)計上，通過直觀的模型圖來描述系統(tǒng)運行的行為和狀態(tài)等，并可通過系統(tǒng)模型的運行來驗證系統(tǒng)功能的完整性、協(xié)調(diào)性和正確性，在一開始設(shè)計就進行驗證和確認，從而避免系統(tǒng)設(shè)計頂層錯誤以及其對后續(xù)產(chǎn)生更大影響；

3）在方法上，基于模型的系統(tǒng)工程實現(xiàn)了需求（模型）和系統(tǒng)模型的關(guān)聯(lián)互動，通過不斷擴充和展開描述系統(tǒng)的模型及其分析和運行，實現(xiàn)了系統(tǒng)設(shè)計的正向、連續(xù)傳遞：以需求為脈絡(luò)，從用例分析（任務(wù)場景分析）→功能分析→架構(gòu)設(shè)計（功能的邏輯實現(xiàn)，系統(tǒng)功能實現(xiàn)的技術(shù)路徑和框架）→物理設(shè)計（邏輯架構(gòu)的物理實現(xiàn)），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(shè)計的符合性。

高水平的設(shè)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(zhì)量和效率。基于模型的系統(tǒng)工程方法能從根本上解決當(dāng)前國內(nèi)飛機概念設(shè)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(tǒng)工程的正向設(shè)計要求一開始就要考慮飛機的任務(wù)運行使用，并通過需求為主線的需求工程將需求貫徹到設(shè)計的方方面面，實現(xiàn)“需求驅(qū)動”的飛機設(shè)計。“設(shè)計協(xié)調(diào)性差”主要是設(shè)計頂層上不能做到系統(tǒng)設(shè)計的完整和協(xié)調(diào)；而MBSE實際上在數(shù)字世界里實現(xiàn)了使用-設(shè)計-使用的閉環(huán)，通過基于使用并描述系統(tǒng)功能、行為的一系列模型來“刻畫”整個系統(tǒng)，并在使用運行環(huán)境下模型的仿真確認，來推動整個系統(tǒng)設(shè)計的綜合優(yōu)化。

基于模型的系統(tǒng)工程建立了賽博世界（數(shù)字模型）同現(xiàn)實物理世界的橋梁，并實現(xiàn)了復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計全過程的顯性化。這在產(chǎn)品復(fù)雜性、需求多變性和數(shù)據(jù)龐雜性的復(fù)雜系統(tǒng)工程開發(fā)中，真正實現(xiàn)了高效、綜合地運用信息、系統(tǒng)嚴謹?shù)卣归_開發(fā)。研究其在飛機概念設(shè)計中的應(yīng)用，對提高飛機設(shè)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(yīng)用MBSE的挑戰(zhàn)

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

在技術(shù)上，MBSE推廣應(yīng)用需要整個航空設(shè)計行業(yè)的共同努力，比如在系統(tǒng)建模的語言，需要學(xué)術(shù)界研究與工業(yè)界應(yīng)用形成統(tǒng)一的建模和分析標(biāo)準，并由此建立統(tǒng)一接口的標(biāo)準模型。這類似“蘋果IOS生態(tài)”下的APP資源，能在統(tǒng)一的架構(gòu)下擴展應(yīng)用范圍以增強對復(fù)雜系統(tǒng)的“刻畫”能力。另外，系統(tǒng)建模語言（如SysML）迫切需要發(fā)展，以增強描述系統(tǒng)性能特性的能力，同時與之配套的工具也需要完善發(fā)展。

在管理上，系統(tǒng)描述方式從隱晦文字到直觀模型的轉(zhuǎn)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(xié)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(fù)雜項目的組織更加開放和多元；設(shè)計過程中更多成熟技術(shù)的“固化”將使設(shè)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(fù)用也將使得設(shè)計工作更加高效、簡潔，從而使得研發(fā)投入更加關(guān)注其核心——用戶需求以及技術(shù)創(chuàng)新，這些底層生產(chǎn)力方面的變化必將導(dǎo)致組織管理層面的變革。例如實施正向設(shè)計過程，會帶來不同于按專業(yè)劃分的人員組織，需增加專門的需求分析師、架構(gòu)設(shè)計師等。

在思想上，“基于需求的設(shè)計”、“基于模型的設(shè)計”的設(shè)計理念，相對于當(dāng)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(xí)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?；蛟S我們無法理解：國產(chǎn)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(shù)年時間來梳理某航電設(shè)備的需求，而僅這些需求（不包含解決方案）在轉(zhuǎn)讓給中方時要價上千萬美元。這體現(xiàn)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(jié)等方方面面。推廣MBSE還需要我們?nèi)娀到y(tǒng)工程思想。

4 結(jié)語

從飛機研制的現(xiàn)實需求、技術(shù)發(fā)展、工程實踐來看，傳統(tǒng)系統(tǒng)工程向MBSE轉(zhuǎn)變是大勢所趨，也是迫切需要。MBSE不僅代表了系統(tǒng)工程的最新進展，也是應(yīng)對復(fù)雜系統(tǒng)、面對不確定性設(shè)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(lǐng)域的應(yīng)用探索。在當(dāng)前飛機概念設(shè)計上推廣MBSE應(yīng)用，在思想、管理和技術(shù)上存在較大挑戰(zhàn)，國內(nèi)目前正處在積極探索階段。

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

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

[3]王崑聲，等.國外基于模型的系統(tǒng)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(tǒng)工程與SysML應(yīng)用研究 [J].信息系統(tǒng)工程,2012(10):114-118.

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

>>>作者簡介

羅松，男，1983年1月出生，2003年畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)，高級工程師，現(xiàn)從事飛機設(shè)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）