基于模型的系統(tǒng)工程課件

基于模型的系統(tǒng)工程

.基于模型的系統(tǒng)工程

.主要內(nèi)容一、對(duì)系統(tǒng)工程的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí)二、MBSE的概念和特點(diǎn)三、MBSE的優(yōu)勢(shì)四、國外的研究與應(yīng)用情況五、MBSE對(duì)中國航天和工程界的意義.主要內(nèi)容一、對(duì)系統(tǒng)工程的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí).一、對(duì)系統(tǒng)工程的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí)（一）系統(tǒng)工程包括技術(shù)過程和管理過程（二）系統(tǒng)工程、系統(tǒng)模型和系統(tǒng)建模（三）系統(tǒng)工程目前所面臨的挑戰(zhàn).一、對(duì)系統(tǒng)工程的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí)（一）系統(tǒng)工程包括技術(shù)過程和..V型圖：層層分解與層層驗(yàn)證建模語言建模方法建模工具管理過程技術(shù)過程.V型圖：層層分解與層層驗(yàn)證建模語言建模方法建模工具管理過程技技術(shù)溝通過程商務(wù)溝通過程技術(shù)溝通過程的管理商務(wù)溝通過程的管理.技術(shù)溝通過程技術(shù)溝通過程的管理.（二）系統(tǒng)工程、系統(tǒng)模型和系統(tǒng)建模模型就是建模者把建模對(duì)象中感興趣的某些特征抽取出來并用某種符號(hào)所表示的產(chǎn)物?！绹鴩啦肯到y(tǒng)工程研究中心《系統(tǒng)工程知識(shí)體系指南》建模語言：抽象語法、具體語法。模型載體：紙張、計(jì)算機(jī)硬盤等。.（二）系統(tǒng)工程、系統(tǒng)模型和系統(tǒng)建模模型就是建模者把建模對(duì)象中對(duì)工程研制的認(rèn)識(shí)工程活動(dòng)：造出滿足人的需要的東西。工程研制是一個(gè)知識(shí)溝通的過程，也是一個(gè)建立系統(tǒng)建模的過程。任何工程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都要經(jīng)歷用戶需求→系統(tǒng)要求→系統(tǒng)功能→系統(tǒng)結(jié)構(gòu)→系統(tǒng)參數(shù)這樣一個(gè)推導(dǎo)的過程。設(shè)計(jì)語言必須能夠表示需求、系統(tǒng)要求、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)行為、系統(tǒng)參數(shù)等。.對(duì)工程研制的認(rèn)識(shí)工程活動(dòng)：造出滿足人的需要的東西。.系統(tǒng)模型所謂工程系統(tǒng)模型就是以各種符號(hào)、線條、文字組成的、可以依據(jù)該模型把工程系統(tǒng)建造出來的模型。系統(tǒng)模型都是三層的，而且必須集成在一起。.系統(tǒng)模型所謂工程系統(tǒng)模型就是以各種符號(hào)、線條、文字組成的、可DataData系統(tǒng)工程師的桌面抽取出的需求文檔圖表1圖表2圖表3數(shù)據(jù)功能列表文檔追溯清單分析和權(quán)衡研究工程分析文檔任何更改都會(huì)影響其它的文檔物理部件接口定義源文檔打印出的報(bào)告、模型和規(guī)格系統(tǒng)模型：牽一發(fā)而動(dòng)全身.DataData系統(tǒng)工程師的桌面抽取出的需求文檔圖表1圖表系統(tǒng)建模工程系統(tǒng)的研制過程，就是建立工程系統(tǒng)模型的過程。工程系統(tǒng)模型是工程設(shè)計(jì)工作的成果和中心。從工程系統(tǒng)研制工作的不同種類、不同階段來對(duì)建模工作進(jìn)行劃分，主要包括以下幾類：構(gòu)建模型（指用戶構(gòu)建需求模型，描述自己的需求）推導(dǎo)模型（從需求模型推導(dǎo)出邏輯模型，再推導(dǎo)出物理模型）修改模型（分析、優(yōu)化、完善、改正）實(shí)現(xiàn)模型（依據(jù)模型做出實(shí)物）驗(yàn)證模型（對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)、仿真、驗(yàn)證）選擇模型（分析、評(píng)價(jià)、權(quán)衡研究）等。因此可以說，工程系統(tǒng)研制過程就是建立工程系統(tǒng)模型的過程。對(duì)研制工作的管理，就是對(duì)這些系統(tǒng)建模工作以及模型本身的管理。.系統(tǒng)建模工程系統(tǒng)的研制過程，就是建立工程系統(tǒng)模型的過程。工程系統(tǒng)工程：圍繞系統(tǒng)模型的系統(tǒng)建模工作系統(tǒng)模型構(gòu)建模型選擇模型推導(dǎo)模型修改模型驗(yàn)證模型實(shí)現(xiàn)模型.系統(tǒng)工程：圍繞系統(tǒng)模型的系統(tǒng)建模工作系統(tǒng)構(gòu)建模型選擇模型推導(dǎo)系統(tǒng)工程的主要做法工程系統(tǒng)日漸復(fù)雜→工程系統(tǒng)模型日漸復(fù)雜→工程系統(tǒng)建模工作日漸復(fù)雜→工程系統(tǒng)建模工作的管理難度日漸增大

我們所理解的系統(tǒng)工程：系統(tǒng)工程是一種方法，一種建立復(fù)雜工程系統(tǒng)的模型的方法（此處的系統(tǒng)建模是廣義的），因此，系統(tǒng)工程方法包括了用于系統(tǒng)建模的語言、建模工具、建模方法、建模工作的組織管理（含工具）。系統(tǒng)工程過程：給出了一個(gè)從系統(tǒng)層過渡到元素層的規(guī)范化的方法，它給出了一個(gè)解決問題的邏輯思路并把它固化了下來。研制程序、技術(shù)基線與技術(shù)評(píng)審：把這些建模工作在時(shí)間軸上“平攤”開來，就形成了研制程序。數(shù)學(xué)模型和仿真技術(shù)：減少對(duì)實(shí)物模型及實(shí)物試驗(yàn)的需求。建模工作的組織管理：項(xiàng)目管理，WBS、PERT、關(guān)鍵路徑法、掙值管理等。工具：計(jì)算機(jī)，對(duì)系統(tǒng)建模工作和建模工作的組織管理進(jìn)行支撐。.系統(tǒng)工程的主要做法工程系統(tǒng)日漸復(fù)雜→工程系統(tǒng)模（三）系統(tǒng)工程所面臨的挑戰(zhàn)理解的難度在增大：

認(rèn)知和理解是研制出系統(tǒng)的前提，目前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行認(rèn)知的太慢、成本太高系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜系統(tǒng)的系統(tǒng)溝通成本太高：

NASA的經(jīng)驗(yàn)，“系統(tǒng)工程95％是溝通，5％是工程”。.（三）系統(tǒng)工程所面臨的挑戰(zhàn)理解的難度在增大：系統(tǒng)越發(fā)復(fù)雜溝通航天器設(shè)計(jì)過程中的溝通.航天器設(shè)計(jì)過程中的溝通.二、MBSE的定義和特點(diǎn)（一）MBSE的三個(gè)支柱（在三個(gè)方面與TSE的區(qū)別）（二）MBSE的兩個(gè)特點(diǎn).二、MBSE的定義和特點(diǎn)（一）MBSE的三個(gè)支柱（在三個(gè)方面MBSE的三個(gè)支柱MBSE有三個(gè)支柱：建模語言，建模思路，建模工具。系統(tǒng)工程團(tuán)隊(duì)會(huì)使用特定的建模工具，標(biāo)準(zhǔn)化的建模語言來執(zhí)行特定建模方法所要求的一系列設(shè)計(jì)任務(wù)，以創(chuàng)建出一個(gè)集成化的系統(tǒng)模型。MBSE建模語言建模思路建模工具.MBSE的三個(gè)支柱MBSE有三個(gè)支柱：建模語言TSE和MBSE特點(diǎn)對(duì)比TSEMBSE建模語言自然語言為主系統(tǒng)建模語言為主建模工具計(jì)算機(jī)（安裝了自然語言編輯軟件）計(jì)算機(jī)（安裝了系統(tǒng)建模語言編輯軟件）建模方法以處理文本文檔為主以處理圖形化、可視化、形式化的模型為主系統(tǒng)模型一本一本的報(bào)告“離散”構(gòu)成，靠手動(dòng)、人工關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的模型庫中，自動(dòng)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)模型的仿真對(duì)計(jì)算機(jī)的利用程度低對(duì)計(jì)算機(jī)的利用程度高系統(tǒng)建模中的人機(jī)分工與協(xié)作低水平高水平.TSE和MBSE特點(diǎn)對(duì)比TSEMBSE建模語言自然語言為主系系統(tǒng)模型從零散到集成TSE：離散、凌亂的各種文檔（紙質(zhì)、電腦中）MBSE：集成的、關(guān)聯(lián)的各種模型.系統(tǒng)模型從零散到集成TSE：離散、凌亂的各種文檔（紙質(zhì)、電腦1、系統(tǒng)建模語言SysML圖示結(jié)構(gòu)

圖示行為

圖示參數(shù)圖[PD]內(nèi)部塊圖[IBD]塊定義圖[BDD]包圖[PKG]需求圖示需求圖[REQ]序列圖[SD]狀態(tài)機(jī)圖[SMD]活動(dòng)圖[AD]用例圖[UC].1、系統(tǒng)建模語言SysML圖示結(jié)構(gòu)圖示行為圖示參數(shù)圖[以塊定義圖為例說明系統(tǒng)建模語言.以塊定義圖為例說明系統(tǒng)建模語言.活動(dòng)圖：表示各個(gè)塊之間的控制流、物質(zhì)流、能量流信息流.活動(dòng)圖：表示各個(gè)塊之間的控制流、物質(zhì)流、能量流信息流.用順序圖表示各個(gè)系統(tǒng)之間的消息.用順序圖表示各個(gè)系統(tǒng)之間的消息.模型元素的交叉關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)行為要求參數(shù).模型元素的交叉關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)行為要求參數(shù).SysML的特點(diǎn)可視化：通過框圖、線條把那些通過文字或其它表達(dá)方法很難表達(dá)清楚的、隱晦的潛臺(tái)詞用簡(jiǎn)單直觀的圖形表達(dá)和暴露出來，準(zhǔn)確而直觀地描述復(fù)雜的含義，把“隱晦”的變成“可視”的，便于讀者理解模型所表達(dá)的意思，從而提高了溝通的效率。形式化：克服了自然語言在表示工程系統(tǒng)和科學(xué)規(guī)律方面隨意性的缺點(diǎn)，而且便于計(jì)算機(jī)處理。關(guān)聯(lián)化：用戶端用線條、箭頭、塊的名字等實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)，在計(jì)算機(jī)底層，通過形式化的實(shí)現(xiàn)了關(guān)聯(lián)，可以保證對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行修改時(shí)的聯(lián)動(dòng)、同步、一致性。.SysML的特點(diǎn)可視化：通過框圖、線條把那些通過文字或其它表通俗的比方：類似Excel中的關(guān)聯(lián).通俗的比方：類似Excel中的關(guān)聯(lián).現(xiàn)有的系統(tǒng)工程過程的產(chǎn)出需求分析分析任務(wù)和環(huán)境識(shí)別功能要求定義/推敲性能與設(shè)計(jì)的約束條件功能分析與分配把功能分解到下一層把性能和其他限制性要求分配到功能層次定義功能接口定義功能架構(gòu)設(shè)計(jì)綜合將功能結(jié)構(gòu)變?yōu)槲锢砑軜?gòu)定義備選方案定義物理接口需求回路設(shè)計(jì)回路驗(yàn)證回路

需求文件操作概念文檔

功能分解

FFBD/EFBD圖產(chǎn)品分解結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分解圖N2.現(xiàn)有的系統(tǒng)工程過程的產(chǎn)出需求分析分析任務(wù)和環(huán)境功能分析與分配MBSE的系統(tǒng)工程過程的產(chǎn)出需求分析分析任務(wù)和環(huán)境識(shí)別功能要求定義/推敲性能與設(shè)計(jì)的約束條件功能分析與分配把功能分解到下一層把性能和其他限制性要求分配到功能層次定義功能接口定義功能架構(gòu)設(shè)計(jì)綜合將功能結(jié)構(gòu)變?yōu)槲锢砑軜?gòu)定義備選方案定義物理接口需求回路設(shè)計(jì)回路驗(yàn)證回路包圖[PKG]需求圖[REQ]用例圖[UC]順序圖[SD]狀態(tài)機(jī)圖[SMD]活動(dòng)圖[AD]參數(shù)圖[PD]內(nèi)部塊圖[IBD]塊定義圖[BDD]圖.MBSE的系統(tǒng)工程過程的產(chǎn)出需求分析分析任務(wù)和環(huán)境功能分析與2.建模思路建模思路可以比作是去往某目的地的路徑圖，規(guī)定了一套必須要執(zhí)行的任務(wù)序列，以保證團(tuán)隊(duì)成員帶著共同的目標(biāo)和視角，以具有一致性的形式完成系統(tǒng)建模過程。目前主要的方法包括：IBMTelelogicHarmony-SEWeilkiensSystemModeling(SYSMOD)methodINCOSEObject-OrientedSystemsEngineeringMethod(OOSEM)等。.2.建模思路建模思路可以比作是去往某目的地的路徑圖，規(guī)定了一3.建模工具建模工具是一些兼容特定建模語言的計(jì)算機(jī)軟件工具。系統(tǒng)建模工具的功能與圖形繪制工具如Visio、Schematic等完全不同。圖形繪制工具創(chuàng)建的是可視畫面，畫面中的元素之下并沒有模型的支撐以保證元素之間的一致性；建模工具創(chuàng)建的模型包含模型組件以及組件之間的關(guān)系，創(chuàng)建的視圖是為了對(duì)模型的容納進(jìn)而審閱、瀏覽，遠(yuǎn)超“畫面”所能表達(dá)的意義。常用的建模工具有IBMRhapsody、MagicDraw等。.3.建模工具建模工具是一些兼容特定建模語言的計(jì)算機(jī)軟件工具。軟件模型機(jī)械、電氣模型QQSETCLRSR驗(yàn)證模型性能、可靠性、保障性等òG(s)U(s)分析模型（二）MBSE的特點(diǎn)1：模型的集成CustomerSpecification制造產(chǎn)品保障系統(tǒng)模型TestPlanAnalysisSpec用戶模型.軟件模型機(jī)械、電氣模型QQSETCLRSR驗(yàn)證模型性能、可靠各專業(yè)學(xué)科的模型如何集成在一起？.各專業(yè)學(xué)科的模型如何集成在一起？.（二）MBSE的特點(diǎn)2：知識(shí)模型化型號(hào)研制所需的知識(shí)都是以文檔、模型的形式存在，并進(jìn)行溝通交流。可以用自然語言表示知識(shí)，也可以用系統(tǒng)建模語言表示。從TSE到MBSE，是從“知識(shí)文本化”到“知識(shí)模型化”。便于理解、便于溝通，使得項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)中的“吵架”吵得更有水平。.（二）MBSE的特點(diǎn)2：知識(shí)模型化型號(hào)研制所需的知識(shí)都是以文三、MBSE的優(yōu)勢(shì)（一）及早進(jìn)行全系統(tǒng)仿真（二）應(yīng)對(duì)需求蠕變（三）實(shí)現(xiàn)軟硬件的和諧開發(fā)（四）提升研制單位知識(shí)管理的能力（五）系統(tǒng)工程管理的部分工作變得容易.三、MBSE的優(yōu)勢(shì)（一）及早進(jìn)行全系統(tǒng)仿真...模型的集成和知識(shí)的模型化關(guān)系緊密：知識(shí)必然以模型的形式表示，并且存儲(chǔ)在模型載體、建模工具上，MBSE的特點(diǎn)是模型的集成化程度高，即系統(tǒng)模型的各個(gè)視圖便于集成，各個(gè)視圖實(shí)際上是系統(tǒng)的各個(gè)利益相關(guān)者根據(jù)自己所掌握的知識(shí)所構(gòu)建出來的，或者是運(yùn)用自己所掌握的知識(shí)對(duì)系統(tǒng)視圖的修改、優(yōu)化。因此，MBSE的模型的集成化程度高和知識(shí)模型化本質(zhì)上是一回事。.模型的集成和知識(shí)的模型化關(guān)系緊密：.（一）及早進(jìn)行全系統(tǒng)仿真虛擬分系統(tǒng)集成測(cè)試分系統(tǒng)集成測(cè)試系統(tǒng)集成測(cè)試用戶要求分析系統(tǒng)要求虛擬系統(tǒng)集成和測(cè)試零部件實(shí)現(xiàn)分系統(tǒng)要求零部件要求系統(tǒng)確認(rèn)交付驗(yàn)證驗(yàn)證驗(yàn)證確認(rèn).（一）及早進(jìn)行全系統(tǒng)仿真虛擬分系統(tǒng)分系統(tǒng)集成系統(tǒng)集成用設(shè)計(jì)圖圖紙物理產(chǎn)品滿意？N發(fā)現(xiàn)問題遲迭代次數(shù)多周期長(zhǎng)、成本高Y試驗(yàn)試驗(yàn)傳統(tǒng)方式：一切通過試驗(yàn)的設(shè)計(jì).設(shè)計(jì)圖圖紙物理產(chǎn)品滿意？N發(fā)現(xiàn)問題遲周期長(zhǎng)、成本高Y試驗(yàn)試驗(yàn)理念設(shè)計(jì)圖試驗(yàn)滿意？NY力學(xué)分析熱分析機(jī)構(gòu)分析流體分析電磁分析建模建模建模建模建?，F(xiàn)行流程：試驗(yàn)為主，分析為輔.理念設(shè)計(jì)圖試驗(yàn)滿意？NY力學(xué)分析熱分析機(jī)構(gòu)分析流體分析電磁分理念CAM試驗(yàn)滿意？N力學(xué)分析滿意？N熱分析機(jī)構(gòu)分析流體分析電磁分析優(yōu)化CAT系統(tǒng)模型MBSE的流程.理念CAM試驗(yàn)滿意？N力學(xué)分析滿意？N熱分析機(jī)構(gòu)分析流體分析（二）應(yīng)對(duì)需求蠕變塊定義圖內(nèi)部塊圖參數(shù)圖活動(dòng)圖順序圖狀態(tài)機(jī)圖需求圖用例圖需求的模型設(shè)計(jì)的模型集成測(cè)試模型.（二）應(yīng)對(duì)需求蠕變需求的模型設(shè)計(jì)的模型集成測(cè)試模型.（三）實(shí)現(xiàn)軟硬件的和諧開發(fā)制造編碼和CSU測(cè)試

CSC綜合和測(cè)試

HWCI試驗(yàn)

CSCI測(cè)試系統(tǒng)要求分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)綜合和試驗(yàn)初步設(shè)計(jì)硬件要求詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件要求分析詳細(xì)設(shè)計(jì)初步設(shè)計(jì)研制程序當(dāng)前的開發(fā)模式設(shè)計(jì)出圖.（三）實(shí)現(xiàn)軟硬件的和諧開發(fā)制造編碼和CSC綜合HWCMBSE的和諧開發(fā)模式制造編碼和CSU測(cè)試

CSC綜合和測(cè)試

HWCI試驗(yàn)

CSCI測(cè)試系統(tǒng)要求分析初步設(shè)計(jì)系統(tǒng)綜合和試驗(yàn)詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)出圖研制程序.MBSE的和諧開發(fā)模式制造編碼和CSC綜合HWCI（四）提升研制單位知識(shí)管理的能力兩總經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、型號(hào)研制中常見風(fēng)險(xiǎn)，變成系統(tǒng)建模語言所構(gòu)建的容易理解的模型、圖形，而不僅僅是文本。在MBSE下，成熟型號(hào)的知識(shí)是以系統(tǒng)建模語言模型的形式表示和存儲(chǔ)的，便于捕獲、查詢、理解、重用，而且重用的級(jí)別可以大幅度地提高，類似設(shè)計(jì)軟件時(shí)可以直接拿來一個(gè)模塊進(jìn)行重用。單個(gè)型號(hào)的架構(gòu)，也可以在后續(xù)類似型號(hào)中重用。MBSE和PDM、并行工程有明顯的不同。.（四）提升研制單位知識(shí)管理的能力兩總經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)、型號(hào)研制中常（五）系統(tǒng)工程管理的部分工作變得容易凡是涉及到型號(hào)設(shè)計(jì)方案（系統(tǒng)模型）的管理和維持的工作，都會(huì)變得比較容易，如技術(shù)狀態(tài)管理、資料管理、接口管理、權(quán)衡研究等。.（五）系統(tǒng)工程管理的部分工作變得容易凡是涉及到型號(hào)設(shè)計(jì)方案（主要內(nèi)容一、對(duì)系統(tǒng)工程的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí)二、MBSE的概念和特點(diǎn)三、MBSE的優(yōu)勢(shì)四、國外的研究與應(yīng)用情況五、MBSE對(duì)中國航天和工程界的意義.主要內(nèi)容一、對(duì)系統(tǒng)工程的進(jìn)一步理解和認(rèn)識(shí).國外公司在大規(guī)模推廣應(yīng)用MBSE洛馬公司NASA龐巴迪歐洲導(dǎo)彈公司正在大規(guī)模應(yīng)用；潛艇設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)花了1年時(shí)間，把原來的文檔全部轉(zhuǎn)成MBSE的模型十大中心對(duì)MBSE都有應(yīng)用。新的項(xiàng)目都在用MBSE。是洛馬公司的供應(yīng)商。被洛馬公司要求使用MBSE研制時(shí)間縮短50％以上。其它的公司，效率提升一般在10－40％。47.國外公司在大規(guī)模推廣應(yīng)用MBSE洛馬公司NASA龐巴迪歐洲導(dǎo)我們對(duì)國外MBSE應(yīng)用情況的分析判斷目前MBSE在國外已經(jīng)從從概念、方法