挑戰

隨著技術的進步，工程系統間交聯越來越多，體系級系統更加普遍，體量更加龐雜，專業子系統的復雜度也呈指數級增加。傳統的研制方式，在系統級設計還是以文檔，畫圖為主，沒有統一的系統級模型，缺乏有效的設計、分析和驗證手段。

國際系統工程學會（INCOSE）提出“基于模型的系統工程”（MBSE）概念。定義MBSE為：“使用建模方法支持系統的需求定義、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從系統概念設計階段開始，持續貫穿到系統開發以及整個產品生命周期階段。”

在進行MBSE實踐過程中，雖然在系統設計時引入了基于SysML的系統模型，解決了系統設計表達和邏輯驗證問題，然而針對復雜工程系統的研發，會涉及到多專業學科，在機械、結構、電氣、電子、液壓、控制、軟件等專業設計階段已經積累的比較成熟的模型，面臨如何在MBSE中應用的困擾。

在下文的案例中，重點展示如何實現以系統模型為核心，對不同專業學科模型的調度和聯合仿真，解決跨工具、跨領域、跨尺度的集成仿真問題，推動MBSE的進一步落地應用。

MBSE應用案例

下文以“伺服液壓系統”為例，展示MBSE在系統設計中的應用。該系統用于接收遠程電子單元的控制指令，控制飛機方向舵的舵面偏轉，由傳感器、傳動機構及一系列閥組成。在該案例中，針對伺服液壓系統從問題域、方案域和實現域三個角度進行分析，實現了系統的需求分析、架構設計和仿真驗證過程。

1）問題域

問題域定義的目的是用來分析和細化利益攸關者需要，通過SysML模型元素進行系統表達，針對系統要解決的問題得到一個清晰且一致的描述。

用例可以反映利益攸關者所重視的內容，并解決他們關切的問題。其中，伺服液壓系統的主要應用場景為：在通電通壓的情況下，接收REU的控制指令，實現對方向舵的控制，同時將系統運行狀態實時反饋到飛控系統。因此，用例可劃分為1個主用例（控制舵面）和2個子用例（控制偏轉、檢測狀態）。

然后針對“控制舵面”用例，可通過帶泳道的活動圖對應用場景做進一步細化描述，可細化外部系統與伺服液壓系統的具體接口信息和交互邏輯，梳理系統的運行分析過程，和明確系統所承擔的具體功能。

2）方案域

此階段的焦點定位于系統的解決方案，既包含系統功能、接口等的清晰描述，也包括在滿足所有系統功能的基礎上開發一個系統架構。

通過狀態圖可分析系統在其生命周期內的完整動態行為，包括定義系統的狀態模型、激勵模型（如外部信號，變更事件）、行為模型、UI模型。然后，執行狀態機來檢驗所構建的模型是否符合利益攸關者期望，進而在產品研制的早期及時發現需求偏差與缺失。

使用內部塊圖描述系統工作原理，將系統拆分成子系統，明確子系統間的接口。伺服液壓系統物理層可被分解為電磁閥、電液伺服閥、模態選擇閥、壓力傳感器等，根據指令類型，通過各種閥對進回油及油壓的控制，實現活塞的伸出和收回，從而實現方向舵偏轉。

3）實現域

• 構建多學科模型

在民機飛控系統中，每架飛機方向舵舵面配備3臺方向舵作動器，每臺作動器配備一個REU伺服控制模塊，3套伺服系統工作原理完全相同，以提供必須的系統余度，保證飛行可靠性和安全性。

該方向舵作動器具有兩個工作模態：

主動模態：電液伺服閥接收REU控制輸入電流指令分配負載流量，從而對作動筒的位置和速度來進行控制。主動模式要求電磁閥上電并要求液壓系統壓力高于一定的門限。

阻尼模態：在阻尼模態下，由于液壓系統壓力或REU指令信號的喪失，單線圈常閉電磁閥處于關閉狀態，此時模態轉換閥將處于阻尼工作位置。當模態轉換閥處于阻尼工作位置時，模態轉化閥將作動筒與伺服閥油液控制隔離。

根據方向舵作動器系統工作原理圖，建立AMESim液壓系統模型。

建立REU伺服控制模塊的Simulink模型，描述作動器位置閉環控制的PID調節。

• 貫通邏輯模型和物理模型
  
  

構建仿真場景，實現將邏輯模型與物理模型的聯通。仿真場景圖的作用體現如下：

?  導入伺服液壓系統狀態機模型；

?  導入通過modelbus綁定的多學科模型（AMESim液壓系統模型和REU伺服控制模塊Simulink模型）；

?  導入用于展現人機交互的UI模型；

?  通過連線關聯，實現邏輯模型與物理模型的參數綁定。

各模型之間的聯合仿真接口數據交互關系主要為：狀態機提供伺服指令和鎖信號給模型總線，收到模型總線返回的活塞位移和液壓壓力指標。

• 包含離散信號和連續參數的聯合仿真

  
  

在聯合仿真過程中，首先通過UI模型提供外部激勵給狀態機模型（通電、開鎖），實現系統狀態跳轉及信號發送。

同時，AMESim液壓系統模型中的電磁閥接收狀態機指令（對應解鎖信號為0或1）控制模態選擇閥換向，伺服閥控制方向舵作動器按REU給定的PID控制指令動作。在此過程中，液壓系統模型上傳到模型總線的數據為作動器位移和液壓系統壓力，從模型總線接收的數據為伺服閥的PID控制信號和電磁閥的鎖信號。

狀態機發出伸出、收回的指令信號（對應控制信號為0或1），由作動器輸出的位移通過負反饋由PID控制作動器按指定位移100mm伸出、收回。在此過程中，Simulink控制系統模型上傳到模型總線的數據為PID參數，從模型總線接收的參數為作動器位移和作動器伸出、收回的指令信號。

價值

•  通過問題域、方案域和實現域的逐層分析，形成了一套規范、可實施的設計方法；
• 在仿真時除了應用狀態機中的離散信號外，引入了機、電、液、控、軟等多學科模型，使仿真更貼近于實際；
• 實現了需求工程到仿真工程的局部貫通，數據貫通、工具貫通、業務貫通，促進MBSE進一步落地應用。

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本文所使用軟件

以上案例中的模型均是由北京索為公司的兩款MBSE工具完成。

• 系統建模仿真軟件Modelook

復雜工程系統建模仿真軟件（Modelook）是基于國外先進的模型驅動工程（MDE）和和基于模型的系統工程（MBSE）理論、方法和實踐成果的基礎上，自主研發的面向系統級用戶的MBSE解決方案產品。Modelook定位于為復雜工程系統（例如武器裝備中的電子信息系統、控制系統、體系級指控系統等）的系統級研發提供基于模型的建模仿真解決方案，用戶可以在系統設計階段基于SysML模型進行需求分析、架構設計、仿真分析，改變原有的基于文檔的設計范式，有效的提高系統研發效率。

• 模型總線軟件Modelbus

模型總線（Model Bus）是一款完全自主研發、支撐跨學科、跨領域復雜系統模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信協議和FMI協議為基礎，通過C/S架構實現了多客戶端系統仿真軟件分布式集成，適用于大規模復雜異構系統的多仿真工具統一調度與并行求解。有效地解決了不同仿真工具（含商業和自研）之間的連接接口問題，操作便捷，能顯著提高仿真效率。

文章來源 杉石科技