隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，基于模型的系統(tǒng)工程（Model Based System Engineering，MBSE）成為系統(tǒng)工程發(fā)展的最新方向，強(qiáng)調(diào)將模型作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心[1]。MBSE是解決復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題的有效手段，它改變了傳統(tǒng)以文檔方式傳遞信息的設(shè)計(jì)模式，通過(guò)可視化和圖形化的系統(tǒng)模型更加清晰和準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)功能和行為[2]，在設(shè)計(jì)早期對(duì)方案和架構(gòu)進(jìn)行修正，從而有效地提升復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

　　經(jīng)過(guò)多年的探索與實(shí)踐，洪都公司已經(jīng)在MBSE領(lǐng)域積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)型號(hào)全機(jī)需求管理，基于SysML語(yǔ)言[3]建立了飛機(jī)級(jí)、航電、飛控、環(huán)控、燃油等系統(tǒng)功能邏輯模型，基于Modelica語(yǔ)言[4]建立了起落架系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)多學(xué)科仿真模型庫(kù)，形成了需求管理、系統(tǒng)定義、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)、建模與仿真驗(yàn)證能力。但仍存在以下問(wèn)題：

　　（1）項(xiàng)目研制過(guò)程中產(chǎn)生的MBSE模型大多存放在本地管理，缺乏統(tǒng)一的平臺(tái)管理，如需求模型、需求模板等在需求管理軟件中管理，功能模型、邏輯模型和物理特性模型在本地管理，模型檢索和共享十分不便，同時(shí)未實(shí)現(xiàn)以項(xiàng)目為牽引的模型管理，增加了企業(yè)資源維護(hù)成本，模型管理與共享效率低。

　　（2）MBSE模型分散在各系統(tǒng)工程師的個(gè)人電腦上，缺乏對(duì)模型技術(shù)狀態(tài)的控制，模型在同一項(xiàng)目、不同項(xiàng)目之間利用率不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)基于模型的同一項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的多人協(xié)同，以及不同項(xiàng)目區(qū)域間的模型重用。

　　為解決上述問(wèn)題，本文通過(guò)MBSE模型多維度分類、基于項(xiàng)目區(qū)域的MBSE模型組織方法、基于流的模型版本管理方法等技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目、異構(gòu)分散的各類MBSE模型集中管理與共享，提高模型檢索和共享的效率，促進(jìn)基于模型的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)。

　　本文提及的MBSE模型主要分為需求模型、功能模型、邏輯模型和物理特性模型，每類模型定義如下：

　　定義1需求模型是指所能處理的抽象級(jí)別完全或部分表達(dá)需求的模型[5]。

　　將需求模型定義為一個(gè)加權(quán)無(wú)環(huán)圖G=（I，O，R）。其中I是圖G的非空頂點(diǎn)集，由描述該需求模型的需求特征有限集構(gòu)成；O∈I是圖G的根節(jié)點(diǎn)，稱為需求模型的根特征，需求模型的根特征是區(qū)別需求模型的唯一標(biāo)識(shí)，主要用于描述與整個(gè)需求模型相關(guān)的信息，將需求模型G的根特征O記為Root（G），即O=Root（G）；R∈IxIxN構(gòu)成圖的加權(quán)邊，表示圖中各需求特征的相似度，式中N為自然數(shù)集合。圖加權(quán)邊的權(quán)w給出了需求模型內(nèi)各需求特征之間語(yǔ)義相似度的值，將需求特征T1與T2之間的語(yǔ)義相似度記為Rw（T1，T2）。

　　定義2功能模型是指描述系統(tǒng)功能及其邊界的系統(tǒng)“黑盒”模型，其可以通過(guò)功能架構(gòu)圖、用例圖、活動(dòng)圖、順序圖等形式進(jìn)行表達(dá)，用于支持功能性需求的捕獲和分析[6]。

　　定義3邏輯模型是指描述系統(tǒng)邏輯組成及其數(shù)據(jù)流、控制流關(guān)系的“白盒”模型，其可以通過(guò)邏輯架構(gòu)圖、泳道圖（白盒活動(dòng)圖）、時(shí)序圖、狀態(tài)機(jī)、功能流塊圖和數(shù)據(jù)流圖等形式進(jìn)行表達(dá)，用于支撐需求的捕獲和分配[6]。

　　功能模型和邏輯模型可以描述為M=（S，E），其中S表示模型元素的集合，E是模型元素間關(guān)系的集合。模型對(duì)應(yīng)的有向加權(quán)圖即系統(tǒng)加權(quán)圖可以描述為WG=（S，E，W），其中S和E與M中的S和E相同，W表示權(quán)重集，是E中關(guān)系元素所對(duì)應(yīng)的關(guān)系強(qiáng)度。

　　定義4物理特性模型是指描述系統(tǒng)物理實(shí)現(xiàn)及其多學(xué)科物理特性的模型[7]，包括幾何模型、力學(xué)模型、控制特性模型、電磁效應(yīng)模型等不同類型，包括單學(xué)科和多學(xué)科物理特性仿真，用于支持需求和方案的權(quán)衡分析。

　　3.1 MBSE模型多維度分類方法

　　航空產(chǎn)品具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，不同的產(chǎn)品層級(jí)對(duì)應(yīng)不同細(xì)粒度的MBSE模型，如系統(tǒng)級(jí)主要涉及到系統(tǒng)需求定義與分配、架構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的模型，而子系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)則涉及到功能實(shí)現(xiàn)、物理設(shè)計(jì)過(guò)程產(chǎn)生的模型；從產(chǎn)品研制階段來(lái)看，MBSE模型貫穿于產(chǎn)品研制階段中的各個(gè)環(huán)節(jié)，不同的工程活動(dòng)需對(duì)MBSE模型進(jìn)行不斷完善與維護(hù)；從產(chǎn)品架構(gòu)視角來(lái)看，其是從需求、功能、邏輯到物理正向設(shè)計(jì)過(guò)程。因此，本文從產(chǎn)品層級(jí)、產(chǎn)品研制階段和架構(gòu)視圖三個(gè)維度對(duì)MBSE模型進(jìn)行分類，提出了基于產(chǎn)品層級(jí)、研制階段與架構(gòu)視圖的模型多維度分類方法。

　　圖1基于產(chǎn)品層級(jí)、研制階段與架構(gòu)視圖的模型分類

　　（1）從產(chǎn)品層級(jí)維度對(duì)模型進(jìn)行劃分

　　圖2將產(chǎn)品層級(jí)分為系統(tǒng)級(jí)、子系統(tǒng)級(jí)、組件級(jí)，圖中的單向邊代表一對(duì)多的關(guān)系。其中：

　　系統(tǒng)級(jí)是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，可能包含多個(gè)系統(tǒng)、子系統(tǒng)和組件，也可能只由一個(gè)簡(jiǎn)單的組件構(gòu)成。系統(tǒng)級(jí)需求模型中l(wèi)和m的取值為：{R(l,m)|l≥0,m≥0,l+m≥1}；功能模型中p和q的取值為：{F(p,q)|p≥0,q≥0,p+q≥1}；邏輯模型中u和v的取值為：{L(u,v)|u≥0,v≥0,u+v≥1}；物理特性模型中x和y的取值為：{P(x,y)|x≥0,y≥0,x+y≥1}；

　　子系統(tǒng)主要是由組件構(gòu)成，是產(chǎn)品的基本組成單元，n、r、w和z的取值為：{(R(n),F(r),L(w),P(z))|n≥1,r≥1,w≥0,z≥0}（當(dāng)w=0時(shí)，子系統(tǒng)級(jí)下的組件無(wú)邏輯架構(gòu)，是構(gòu)成子系統(tǒng)的最小單元，由組件滿足子系統(tǒng)某些功能和性能要求；當(dāng)z=0時(shí)，當(dāng)前組件無(wú)需開(kāi)展物理建模仿真分析）；

　　組件是由一系列需求、功能、邏輯和物理模型構(gòu)建而成，是構(gòu)成系統(tǒng)和子系統(tǒng)的基本單位。

　　圖2產(chǎn)品層次結(jié)構(gòu)

　　（2）從產(chǎn)品研制階段維度對(duì)模型進(jìn)行劃分

　　軍用航空器研制階段分為論證階段、工程研制階段、列裝定型階段和批產(chǎn)/保障階段。在論證階段會(huì)產(chǎn)生需求模型、功能模型；在工程研制階段，對(duì)基于同一項(xiàng)目產(chǎn)生的需求模型、功能模型進(jìn)行細(xì)化分解，生成此項(xiàng)目逐步細(xì)化后的需求模型、功能模型、邏輯模型和物理特性模型等產(chǎn)品設(shè)計(jì)輸出結(jié)果；在列裝定型階段更新維護(hù)同一項(xiàng)目?jī)?nèi)的需求模型、功能模型、邏輯模型和物理特性模型；批產(chǎn)/保障階段更新維護(hù)同一項(xiàng)目?jī)?nèi)的需求模型。

　　圖3基于產(chǎn)品研制階段的模型分類

　　3.2基于項(xiàng)目區(qū)域的MBSE模型組織方法

　　圖4中MBSE模型可以按照資源編號(hào)、所屬領(lǐng)域、所屬項(xiàng)目、研制階段、所屬系統(tǒng)等模型標(biāo)簽自由組合組織，如根據(jù)資源編號(hào)以產(chǎn)品需求模型庫(kù)、功能模型庫(kù)、邏輯模型庫(kù)等方式組織模型實(shí)例，根據(jù)所屬領(lǐng)域以航空、航天、兵器等方式組織模型實(shí)例，根據(jù)所屬項(xiàng)目以歸屬不同項(xiàng)目來(lái)組織模型實(shí)例，以此類推；同時(shí)支持多個(gè)屬性自由組合，如根據(jù)所屬項(xiàng)目、研制階段來(lái)展示不同項(xiàng)目下不同研制階段對(duì)應(yīng)的模型實(shí)例，根據(jù)所屬項(xiàng)目、所屬系統(tǒng)來(lái)展示不同項(xiàng)目下不同系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的模型實(shí)例等。

　　軍用航空器研制以項(xiàng)目為牽引，項(xiàng)目研制過(guò)程中產(chǎn)生的模型主要以項(xiàng)目視圖形式展示，故按照項(xiàng)目、研制階段或者項(xiàng)目、系統(tǒng)形式組織，提高同一項(xiàng)目區(qū)域間模型管理與共享效率，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)不同項(xiàng)目區(qū)域間模型的“有償性”、“可控性”共享，充分發(fā)揮模型價(jià)值。

　　圖4 MBSE模型組織方式

　　3.3基于流的模型版本管理方法

　　圖5為基于數(shù)據(jù)流的模型版本管理原理，為模型的多版本管理帶來(lái)了極大的靈活性。一個(gè)流可以代表某個(gè)產(chǎn)品模型設(shè)計(jì)過(guò)程，到了產(chǎn)品某個(gè)階段，可以基于當(dāng)前的基線版本同時(shí)派生出若干條子流，子流可以代表著產(chǎn)品模型不同的版本，所屬不同的團(tuán)隊(duì)或者不同的系統(tǒng)工程師，根據(jù)統(tǒng)一的模型基線，進(jìn)行不同的模型設(shè)計(jì)，最后項(xiàng)目交付最優(yōu)的模型。流之間可以進(jìn)行比較，在某個(gè)流中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，可以在子流中完成問(wèn)題歸零，或者通過(guò)子流合并到父流中。

　　圖5基于流的模型版本管理

　　圖6為同一產(chǎn)品不同多狀態(tài)之間模型版本演進(jìn)過(guò)程，產(chǎn)品1（A狀態(tài)）為產(chǎn)品1模型主流，在產(chǎn)品1（A狀態(tài)）模型的基礎(chǔ)上衍生出產(chǎn)品1（B狀態(tài)）和產(chǎn)品1（C狀態(tài)）模型。產(chǎn)品1（B狀態(tài)）模型初始版本與產(chǎn)品1（A狀態(tài)）版本一致，即v1.0，在v1.0基礎(chǔ)上衍生出v2.0模型，并在Stream 1上衍生新的版本；產(chǎn)品1（C狀態(tài)）在產(chǎn)品1（A狀態(tài)）v1.0模型基礎(chǔ)上，衍生出一條分支Stream 2，形成初始版本v1.0模型，在v1.0基礎(chǔ)上衍生出v1.1模型，基于產(chǎn)品1（A狀態(tài)）v1.2版本生成產(chǎn)品1（C狀態(tài)）v1.2模型。

　　圖6同一產(chǎn)品不同多狀態(tài)之間模型版本演進(jìn)

　　圖7為不同產(chǎn)品之間模型版本演進(jìn)過(guò)程，產(chǎn)品1（A狀態(tài)）為產(chǎn)品1模型主流，在產(chǎn)品1（A狀態(tài)）模型的基礎(chǔ)上衍生出產(chǎn)品1（B狀態(tài)）和產(chǎn)品2（A狀態(tài)）模型。產(chǎn)品1（B狀態(tài)）模型初始版本與產(chǎn)品1（A狀態(tài)）版本一致，即v1.0，在v1.0基礎(chǔ)上衍生出v2.0模型，并在Stream 1上衍生新的版本；產(chǎn)品2（A狀態(tài)）在產(chǎn)品1（A狀態(tài)）v1.1模型基礎(chǔ)上，衍生出一條分支Stream 2，形成初始版本v1.0模型，在v1.0基礎(chǔ)上衍生出v1.1模型，基于產(chǎn)品1（B狀態(tài)）v2.1版本衍生出產(chǎn)品2（A狀態(tài)）v1.2模型。

　　圖7不同產(chǎn)品之間模型版本演進(jìn)

　　3.4基于項(xiàng)目區(qū)域和流的模型共享機(jī)制

　　同一產(chǎn)品、不同產(chǎn)品之間模型共享方式見(jiàn)圖8，產(chǎn)品1（A狀態(tài)）對(duì)應(yīng)模型的主流，產(chǎn)品1（B狀態(tài)）為產(chǎn)品1（A狀態(tài)）分流，模型所有者可以按照項(xiàng)目、流（對(duì)應(yīng)基線）、單個(gè)版本設(shè)置模型對(duì)人員、組織、角色等共享。產(chǎn)品1（A狀態(tài)）主流上所有版本模型默認(rèn)都共享給人員1或者組織1或者角色1，產(chǎn)品1（B狀態(tài)）對(duì)應(yīng)流上某個(gè)版本（如v2.1）模型對(duì)人員1或者組織1或者角色1共享；產(chǎn)品2（A狀態(tài)）對(duì)應(yīng)流上所有版本模型默認(rèn)共享給人員2或者組織2或者角色2，產(chǎn)品1（A狀態(tài)）對(duì)應(yīng)流上某個(gè)版本（如v1.1）模型對(duì)人員2或者組織2或者角色2共享。

　　圖8同一產(chǎn)品、不同產(chǎn)品之間模型共享方式

　　圖9為基于流程的產(chǎn)品模型共享方式，產(chǎn)品1某個(gè)研制流程中活動(dòng)1輸出物為模型（v1.0），對(duì)應(yīng)產(chǎn)品1（A狀態(tài)）Main Stream中模型（v1.0），活動(dòng)1節(jié)點(diǎn)輸出作為活動(dòng)2節(jié)點(diǎn)的輸入，通過(guò)流程執(zhí)行實(shí)現(xiàn)模型共享，活動(dòng)2輸出物為模型（v2.0），對(duì)應(yīng)產(chǎn)品1（B狀態(tài)）Stream 1中模型（v2.0）。

　　圖9基于流程的產(chǎn)品模型共享方式

　　圖10中MBSE模型管理與共享平臺(tái)由應(yīng)用層、服務(wù)層和開(kāi)發(fā)工具組成，使用一個(gè)通用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)存儲(chǔ)模型。

　　應(yīng)用層：工程設(shè)計(jì)人員和仿真分析人員操作界面，根據(jù)各自的權(quán)限向服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送請(qǐng)求，調(diào)用相應(yīng)的設(shè)計(jì)工具加載模型。

　　服務(wù)層：基于微服務(wù)框架創(chuàng)建，提供流程建模、流程與模型關(guān)聯(lián)、模型管理以及工具適配器等功能，并提供需求服務(wù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)服務(wù)和物理建模服務(wù)。

　　開(kāi)發(fā)工具：主要包含需求分析與管理、系統(tǒng)功能邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)、多物理建模與仿真分析等工具及模型管理平臺(tái)，模型管理以主流數(shù)據(jù)庫(kù)為驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理各開(kāi)發(fā)工具的各種顆粒度的模型，為應(yīng)用層和服務(wù)層提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

　　圖10 MBSE模型管理與共享平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)

　　圖11為MBSE模型管理與共享之間關(guān)系圖，通過(guò)模型檢索、推送和基于流程推送三種方式實(shí)現(xiàn)模型共享給同一項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員，基于流程的推送需要事先定義好流程與模型的關(guān)聯(lián)關(guān)系；不同項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，模型共享方式與同一項(xiàng)目區(qū)域類似，前提是先進(jìn)行模型授權(quán)，實(shí)現(xiàn)模型在不同項(xiàng)目人員之間的共享。

　　圖11模型管理與共享關(guān)系圖

　　將MBSE模型統(tǒng)一上傳到模型管理與共享平臺(tái)中管理，基于工具適配器實(shí)現(xiàn)與MBSE設(shè)計(jì)環(huán)境的集成。各MBSE設(shè)計(jì)工具通過(guò)接口檢索、加載模型，或者建立流程活動(dòng)節(jié)點(diǎn)與模型資源關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)基于流程推送模型，開(kāi)展MBSE設(shè)計(jì)工作。

　　圖12 MBSE模型管理與共享應(yīng)用模式

　　以XX項(xiàng)目、XX系統(tǒng)的需求捕獲與分解流程為例，介紹模型共享兩種方式。

　　（1）基于流程推送模型

　　在集成研發(fā)平臺(tái)中定義需求捕獲與分解流程，建立流程活動(dòng)與相關(guān)模型的關(guān)聯(lián)，如需求分析與定義活動(dòng)與XX項(xiàng)目、XX系統(tǒng)需求關(guān)聯(lián)。計(jì)劃管理人員應(yīng)用該流程模板分解任務(wù)，設(shè)計(jì)人員在接收到下發(fā)的需求分析與定義任務(wù)以及與該活動(dòng)關(guān)聯(lián)的需求模型，同時(shí)可以根據(jù)任務(wù)屬性（如XX項(xiàng)目、XX系統(tǒng)等）或者關(guān)鍵詞推送相關(guān)模型，在需求管理軟件中打開(kāi)推送的需求模型完成需求分析與定義工作。

　　（2）模型檢索

　　在需求管理軟件中開(kāi)展需求分析與定義工作時(shí)，可以通過(guò)高級(jí)檢索、全文檢索等方式檢索模型。如輸入XX項(xiàng)目、XX系統(tǒng)等條件，在需求管理軟件中通過(guò)接口檢索需求模型，實(shí)現(xiàn)需求模型共享。

　　針對(duì)航空產(chǎn)品MBSE創(chuàng)新研制的需要，結(jié)合產(chǎn)品研制過(guò)程中對(duì)MBSE模型技術(shù)狀態(tài)管理的需求，突破MBSE模型管理與共享技術(shù)，探索形成了一種基于項(xiàng)目區(qū)域和流的模型管理與共享應(yīng)用模式，提出了一種MBSE模型管理與共享平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)分散的MBSE模型集中管理與共享，能夠提高模型檢索和共享的效率，促進(jìn)基于模型的產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)。

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