基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）及MWORKS實踐 課件 7 MBSE教材講義 第七章 運行方案仿真與綜合評估

立足航天、面向工業(yè)、服務行業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程及MWORKS實踐聶蘭順教授2024年11月08日立足航天、面向工業(yè)、服務行業(yè)運行方案仿真與綜合評估聶蘭順教授2024年11月08日概述在運行方案仿真與綜合評估階段，結合已經(jīng)建成的技術和平臺基礎，設計系統(tǒng)的階段性運行方案，構建多階段系統(tǒng)任務仿真模型，開展多任務、多層級的總體可行性論證，最終輸出可行性方案；

通過設計仿真一體化技術，有助于在系統(tǒng)設計的同時，實現(xiàn)系統(tǒng)需求、技術指標、設計參數(shù)與約束條件的快速仿真驗證，保證系統(tǒng)設計方案的正確性、合理性。運行方案仿真運行方案仿真的目標構建系統(tǒng)運行方案視圖。面向系統(tǒng)使命任務，基于系統(tǒng)需求模型和系統(tǒng)架構模型

，建立任務執(zhí)行過程的功能模型、仿真模型；開展多方案分析權衡。述各具體任務過程的目標、環(huán)境、過程、指令、參數(shù)以及對應的系統(tǒng)響應情況，創(chuàng)建不同設計思路下的多方案模型，開展多方案驗證評估與權衡；確定分系統(tǒng)的評估標準與方法，開展各分系統(tǒng)或模塊的方案驗證與評估。運行方案仿真系統(tǒng)仿真建模Modelica模型的特點多領域耦合建模采用代數(shù)微分方程描述各專業(yè)的原理，對模型方程組進行統(tǒng)一仿真求解時，可充分考慮各專業(yè)之間的相互動態(tài)影響?；谀芰苛鞯淖兞總鬟f基于廣義基爾霍夫定律，實現(xiàn)不同專業(yè)模型之間變量的傳遞，由基于數(shù)據(jù)流的單向變量傳遞，轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀芰苛鞯碾p向變量傳遞。變量傳遞方向在求解過程中自動推導，無須人為約束?；谖锢硗負浣Y構建模由算法建模方式轉(zhuǎn)變?yōu)槲锢斫７绞?，模型的接口與物理接口對應，模型的連接與物理拓撲結構一致。基于方程的物理原理建模模型代碼與物理原理方程一致。離散、連續(xù)統(tǒng)一建模模型在某些事件點處會發(fā)生狀態(tài)變化，采用Modelica語言可在模型中同時描述連續(xù)變化和離散的事件，無須針對多個狀態(tài)切換的場景分開建模，實現(xiàn)連續(xù)、離散統(tǒng)一建模。運行方案仿真建模過程外部模型導入應用Sysbuilder提供的“導入設計模板”功能，將Modelica模型導入系統(tǒng)架構模型中，利用系統(tǒng)內(nèi)置的Modelica編譯求解內(nèi)核進行解析，能夠獲得Modelica模型的參數(shù)、變量，并能夠與系統(tǒng)架構模型參數(shù)、系統(tǒng)需求模型參數(shù)進行統(tǒng)一顯示與管理，能夠完成參數(shù)編輯、結果查看等操作。參數(shù)關聯(lián)與快速驗證將系統(tǒng)仿真模型與某個系統(tǒng)組成模塊關聯(lián)之后，可以進一步將Modelica模型的具體參數(shù)、變量與系統(tǒng)架構模型相關聯(lián)，將系統(tǒng)架構模型參數(shù)輸入Modelica模型中，將Modelica仿真結果與系統(tǒng)需求模型參數(shù)相關聯(lián)，通過仿真結果驗證系統(tǒng)需求是否被滿足。運行方案仿真SysML與Modelica聯(lián)合仿真選擇功能活動選擇設計模型庫中的功能模型

，定義活動圖模型。

定義執(zhí)行流程將功能活動按照系統(tǒng)的執(zhí)行邏輯用控制流進行連接。定義參數(shù)傳遞關系定義功能活動的輸入輸出對象，并用SysML對象流連接傳遞關系。構建通訊腳本基于腳本助手的模板，定義UDP通信腳本，定義通信端口和IP地址。關聯(lián)傳遞參數(shù)根據(jù)通信的報文格式，將功能活動的輸入輸出對象與通信腳本的參數(shù)進行關聯(lián)。定義仿真模型接口根據(jù)通信腳本和傳遞參數(shù)的信息，定義系統(tǒng)仿真模型的UDP通信組件接口，并將組件模型參數(shù)與系統(tǒng)仿真模型

接口進行關聯(lián)。綜合評估將系統(tǒng)仿真結果與系統(tǒng)需求、使命任務進行反饋對比，能夠分析出系統(tǒng)方案的正確性、合理性，對多方案并行的情況，可以驅(qū)動多個方案的仿真模型并行運行，然后對比多個方案的評估結果，比較其優(yōu)劣之處，實現(xiàn)多方案權衡。綜合評估系統(tǒng)指標分析評估要進行系統(tǒng)方案綜合評估，首先要對設計參數(shù)和技術指標進行全面分析，評估方案的可行性、合理性，總體技術指標的可達性等指標驗證流程定義指標將系統(tǒng)的需求進行分類，提取非功能性需求定義為指標要求。構建約束模型根據(jù)指標要求中對參數(shù)的約束關系，通過Sysbuilder的約束模塊構建反應系統(tǒng)指標和系統(tǒng)參數(shù)的對比驗證模型。映射約束輸入通過映射的方式將不同形式的計算驗證模型中的輸入與約束模型的輸入進行關聯(lián)映射。指標驗證通過構建靜態(tài)或動態(tài)計算模型，對指標的驗證情況進行計算，并顯示驗證結果。綜合評估多方案權衡多方案權衡就是提取系統(tǒng)方案模型中的結構化數(shù)據(jù)，形成多方案列表，通過可靠性、成熟度、成本、質(zhì)量、尺寸等指標對方案進行綜合評估，輔助人工進行優(yōu)選，以UUV（水下無人航行器）為例，創(chuàng)建一個新實例選擇實例類型為UUV，即可創(chuàng)建UUV相關實例；創(chuàng)建UUV相關實例后，通過單擊設置實例值，即可得到不同實例值下對應的UUV；重復上述實例創(chuàng)建步驟，即可創(chuàng)建不同指標下的UUV實例，即多方案不同指標的UUV實例。綜合評估多方案權衡下面生成Modelica仿真框架，首先需要進行Modelica原理填充，右鍵單擊內(nèi)部模塊圖空白處，選擇“設置Modelica仿真框架屬性”；在彈出的“Modelica仿真框架屬性”對話框中，單擊“類型”列右側的瀏覽按鈕；在彈出的“模型原理設置”對話框中，可以加載模型原理庫；模型原理庫有兩種加載方式，一種為手動加載，另一種為自動加載。手動加載通過單擊“+”按鈕進行。自動加載通過將相關模型原理庫內(nèi)置在Sysbuilder軟件相關安裝文件夾下實現(xiàn)，用戶也可以自定義原理模型；選擇相應的原理模型后，右側會彈出相關的接口和參數(shù)列表，供用戶判斷是否符合UUV相關原理。綜合評估多方案權衡選擇原理模型后，返回“Modelica仿真框架屬性”對話框，可以通過下拉列表為該模型原理庫中所有的相關設備、參數(shù)和接口選擇原理模型，進行Modelica原理填充；對UUV相關設備、參數(shù)和接口進行Modelica原理填充后，右鍵單擊內(nèi)部模塊圖空白處，選擇“生成Modelica仿真框架”，即可生成Modelica仿真框架圖；在生成Modelica仿真框架之后，相關的代碼也會自動生成，供用戶進行檢查、修改、復用等。綜合評估多方案權衡在創(chuàng)建UUV相關實例，并為相關設備、接口、參數(shù)進行原理填充后，在相關組成屬性上右鍵單擊，選擇“選擇實例”，在彈出的對話框中進行實例選擇；選擇不同的實例，會自動將多個指標進行修改，然后根據(jù)不同實例的方案組成、參數(shù)定義計算出對應的系統(tǒng)功能、性能指標，多個方案的計算結果可以用圖表對比的方式進行直觀比較，以輔助用戶決策。本章小結在運行方案仿真與綜合評估階段，通過Sysbuilder和Sysp