MBSE設計的案例
基于MBSE的衛星設計之結構部分初探（1）
基于MBSE的衛星設計之結構部分初探
01. 衛星設計主要內容
衛星設計是指設計人員應用航天動力學、結構力學、工程熱物理、工程控制論、電子技術、計算機技術、推進技術等學科知識通過分析綜合和創造思維，將設計要求轉化為一組能完整描述衛星的參數的過程。從《NASA系統工程手冊（第2版）》一書正文第4頁中可知，通用技術流程包括三部分內容，它們分別是（1）系統設計流程；（2）產品實現流程；（3）技術管理流程。
衛星設計工作的輸出是什么？是衛星分解結構（SBS：Satellite Breakdown Structure）。一顆典型的衛星由不同的子系統構成，包括以下內容：
01.
展開 基于MBSE的衛星設計(2)
5個階段包含了小衛星數字化設計的全過程，其中，數字化樣機詳細設計、仿真分析、工藝設計、整星裝配、整星測試等主要研制內容包含在初樣階段和正樣階段的研制過程中。
小衛星數字化設計以并行工程、協同設計工作模式為基礎，以數據交互和信息共享為核心，通過數字化統一模型驅動整個設計、仿真、制造流程。當前小衛星數字化設計已經取得了重大的進展，小衛星數字化設計的發展還與小衛星數字化設計流程管理的水平密切相關。
采用基于模型的系統工程（MBSE）方法，完善航天型號產品數字化協同研制環境，強化虛擬設計與仿真驗證應用，全三維研制模式和仿真系統，讓試驗衛星從硬件到功能性能都實現數字化仿真，越來越接近一臺“數字化小衛星”；小到元器件和電纜接口的數字化管理。提高設計效率。構建小衛星智能制造體系，針對小衛星多品種、小批量特點，實現生產過程的柔性化、智能化以及生產現場的精細化管理，提高生產質量。構建小衛星敏捷服務和精準保障體系，實現基于數字孿生技術的裝備綜合保障、小衛星集群化在軌運行管理，提高運營效益。
設計流程從信息化到數字化，再到智能化
流程的信息化是數字化的基礎，沒有信息化，相關環節的數據沒有被采集下來，數字化就不可能實現。通過信息化和數字化對原有的傳統流程進行改造。
展開 MBSE架構設計分析方法和工具：使用ARCADIA方法和Capella工具的MBSE
圖20 MBSE三大支柱的實現比較
結論：
基于ARCADIA方法的Capella工具自2008年開發后，目前已廣泛應用于全球多個領域的項目（國防、航空航天、航天、交通、身份和安全等）。為復雜系統的設計和分析，提供高效、便捷、完整的架構定義支持。
文章來源Teamcenter黑帶
衛星設計，請從MBSE開始
采用最先進的以模型為中心的方法，例如基于模型的系統工程(MBSE)，對于降低傳統的以文檔為中心的系統工程方法（DBSE：Document-Based System Engineering ）無法提供的總體系統復雜性非常有幫助。模型驅動方法（MDA：Model-Driven Approach）使用不同的建模語言和工具與各種設計和分析軟件集成來構建衛星網絡的虛擬架構。它使衛星業務的物理系統和子系統數字化，使信息流能夠無縫銜接。該方法為所有項目成員和所有利益相關方提供一致的信息、更新后的新信息和關鍵決策。系統本身的模型是衛星子系統或操作要素的圖形和數學表示的簡化版本，抽象現實以消除一些復雜性。這些模型幫助工程師在設計新系統時識別問題、丟失的信息、丟失的交互以及丟失的開發機會。這種系統的互聯性使我們能夠識別和平衡一個系統，并管理系統的復雜性。此外，適當的相互連接在項目開發的生命周期中提供模型更改時的可追溯性。
圖
最后，MBSE可以通過減少開發時間和設計更可靠的軟件來節省衛星星座的成本。當MBSE操作得當時，其結果是降低了復雜性、開發時間和成本，從而將太空應用能夠覆蓋到農村和偏遠地區。其次，數字孿生技術是指利用虛擬手段對物理系統進行描述和建模的過程和方法。該虛擬模型有助于實時模擬物理系統的行為，包括空間和地面段及其性能。通過數字孿生技術創建的模型可用于為太空設計的新型網絡威脅的建模、開發和對抗，從而實現一個全新的研究路線。
衛星網絡及其容量的擴大肯定會使國際服務提供商提供的互聯網帶寬有限的國家受益。這也將有利于位于小島嶼的發展中國家和內陸國家走向信息化和網絡化時代，加快經濟與文化的發展，以及與世界的對話與溝通。設計復雜性的降低意味著低成本，進而有助于以可負擔的價格門檻為農村和偏遠地區的中低收入消費者提供衛星互聯網服務。
展開 
淺談基于模型的系統工程（MBSE）技術
MBSE
概念?
國際系統工程學會（INCOSE）在《系統工程2020年愿景》中，給出MBSE技術的定義：基于模型的系統工程是對系統工程活動中建模方法應用的正式認同，以使建模方法支持系統要求、設計、分析、驗證和確認等活動，這些活動從概念性設計階段開始，持續貫穿到設計開發以及后來的所有的生命周期階段。
基本系統工程專注于功能邏輯模型，專業領域關注的是性能模型，設計和制造專注于幾何模型，MBSE的關鍵是把這幾個模型相互關聯，形成一套建模標準。
圖1 MBSE與各模型的關系
基于模型的系統工程MBSE（Model Based Systems Engineering）技術以其無歧義、便于進行設計綜合、便于進行數據更改和追溯等優勢，成為國內外復雜系統設計研究的熱點，也是解決系統綜合設計的有效手段。由于復雜系統更需要系統工程的應用，所以航空、航天及汽車領域是目前系統工程發展的主要戰場。
飛機機電系統包括燃油系統、液壓系統、環控系統、電氣系統、二動力系統等，是典型的復雜系統。隨著系統復雜度與綜合化程度的提高，飛機機電系統的設計過程呈現出需求多樣化、功能交互高度復雜、各領域物理系統交聯耦合強、系統綜合化程度高等特點，開展飛機機電系統綜合設計已成為飛機設計亟需解決的問題。美國空軍從20世紀80年代開始實施了一系列機電綜合研究計劃，這些研究計劃不僅在時間上具有連續性，在研究內容上也具備繼承性，如圖2所示。
展開 MBSE方法論專題 | OOSEM-Modelook綜合設計候選架構
建模語言、建模方法和建模工具作為MBSE的三大支柱，是MBSE能否有效落地的重要影響因素，尤其方法論尤甚，它是絕大部分人開始接觸MBSE的切入點。本文為杉石團隊在INCOSE提出的方法論OOSEM的基礎上，結合多年來在國內MBSE領域實施經驗的基礎上，梳理總結出的由Modelook工具支撐的MBSE建模方法論。
NO.1
流程說明
1. 定義及流程
綜合設計候選架構的目的是在系統功能需求和邏輯架構的牽引下，非功能性需求約束下，明確定義物理架構方案。物理架構由為特定子系統設計選定的有形設備組成。物理架構設計還應考慮除功能性之外約束，例如由安全性牽引得到的冗余備份設計。
展開 MBSE:基于模型的系統工程在航空發動機控制設計中的應用
在航空發動機控制設計起動場景功能建模實踐中，選用Rhapsody 建模工具，基于 Harmony-SE 方法論開展 SysML 建模，詳細描述了利用活動圖、時序圖描述復雜系統交互活動的過程，解決了自然語言無法描述復雜活動的問題；利用狀態機圖通過參數注入方式進行起動功能邏輯的仿真和驗證，為后續航空發動機全系統建模和功能邏輯仿真提供了解決思路。
在未來的研究中，將繼續在航空發動機控制設計或者其他子系統設計開發中探索和實踐 MBSE方法，制定統一的建模標準與模型管理規范，形成企業自主的MBSE流程和工程手冊。另外，嘗試將MBSE向航空發動機整機建模仿真推廣，從而實現系統級的仿真驗證和綜合優化，為早期的設計方案測試和驗證提供技術支持。
MBSE 通過構建以模型為中心的可追溯信息集成框架，利用模型的不斷迭代貫穿整個產品研發和后續生命周期全過程。然而現階段 MBSE在建模標準規范統一、建模方法的推廣和應用、上下游模型的數據傳遞、模型與仿真分析工具的集成等方面還有待進一步的提升和發展。可以預見，隨著 MBSE工程成熟度的不斷提升和應用領域的不斷擴大和深入，MBSE將會形成一套體系完備的開發流程和標準，為復雜產品的正向設計提供強大的平臺支撐。
展開 基于模型的系統工程（MBSE）在水下航行器設計及陸地試驗過程中的典型應用
Background
應用背景
基于模型的系統工程（MBSE）作為一種先進系統設計方法論，可利用計算機模型和仿真技術來指導和優化系統設計過程。在水下航行器的設計過程中，MBSE可以發揮重要的作用，幫助設計師理解系統的行為、性能和相互關系，并優化設計方案。
以下是基于模型的系統工程在水下航行器設計中的一般步驟：
定義需求：明確水下航行器的功能和性能需求。這些需求可能包括航行速度、潛水深度、載荷能力、能源消耗等。
建立系統模型：利用計算機軟件或仿真工具建立水下航行器的系統模型。模型可以包括船體結構、推進系統、導航和控制系統等各個組成部分。
驗證和測試：基于模型設計的水下航行器原型進行驗證測試，驗證系統模型的準確性和可靠性。根據測試結果對模型進行校準和調整。
優化和迭代：根據驗證測試的結果，對系統模型進行優化和迭代，進一步改進水下航行器的設計。這可能涉及到組件替換、參數調整或系統配置的更改等。
強化學習和自適應控制：基于模型的系統工程(MBSE)可以結合強化學習和自適應控制算法來改善水下航行器的控制性能。通過模型預測和反饋控制，可以實現對航行器的自適應調整和優化，以適應不同的水下環境和任務需求。
故障模擬和容錯設計：系統模型可以用于故障模擬和容錯設計，通過模擬不同故障場景，評估水下航行器在故障情況下的性能和安全性。基于模型的容錯設計可以提高水下航行器的可靠性和穩定性，并在故障發生時采取適當的措施保證任務的完成。
展開 行業案例 | MBSE解決方案（一）：面向裝備系統論證和方案階段研制的協同設計和驗證平臺
圖 8 模型總線工具工作原理
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PCM
統一系統模型管理工具
統一系統模型管理工具實現以MBSE實際業務范疇為基礎，管理MBSE業務產生過程中的各類模型數據的有效權威版本，將模型數據進行體系化的組織與管理，并有效管理各類模型數據的關聯關系，滿足數據的應用。統一系統對象模型系統具備如下能力：實現需求數據、體系設計數據、系統設計數據、接口設計數據等系統工程設計數據的統一集中管理;實現統一系統對象模型系統與數據的產生系統/工具的貫通，滿足數據提交/解析的能力;實現需求數據、體系設計數據、系統設計數據、接口設計數據等系統工程設計數據的版本、權限管理，支持數據的變更管理;基于所管理的各類系統工程設計數據，提供數據關系維護和展示的能力，方便追溯數據間的關系，支持變更影響分析。
展開 基于項目區域和流的MBSE模型管理與共享技術研究
作者：陳進文 李利 錢志偉 江西洪都航空工業集團有限責任公司
導讀：本文通過MBSE模型多維度分類、基于項目區域的MBSE模型組織方法、基于流的模型版本管理方法等技術研究，實現不同項目、異構分散的各類MBSE模型集中管理與共享，提高模型檢索和共享的效率，促進基于模型的產品協同設計。
1前言
隨著數字化技術的發展，基于模型的系統工程（Model Based System Engineering，MBSE）成為系統工程發展的最新方向，強調將模型作為系統設計的核心[1]。MBSE是解決復雜系統問題的有效手段，它改變了傳統以文檔方式傳遞信息的設計模式，通過可視化和圖形化的系統模型更加清晰和準確地反映系統功能和行為[2]，在設計早期對方案和架構進行修正，從而有效地提升復雜系統的設計效率和質量。
經過多年的探索與實踐，洪都公司已經在MBSE領域積累了寶貴的經驗，實現多個型號全機需求管理，基于SysML語言[3]建立了飛機級、航電、飛控、環控、燃油等系統功能邏輯模型，基于Modelica語言[4]建立了起落架系統、環控系統多學科仿真模型庫，形成了需求管理、系統定義、功能分析、架構設計、建模與仿真驗證能力。但仍存在以下問題：
（1）項目研制過程中產生的MBSE模型大多存放在本地管理，缺乏統一的平臺管理，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，同時未實現以項目為牽引的模型管理，增加了企業資源維護成本，模型管理與共享效率低。
展開 Ansys 2023 R1 新版本正式發布
新版本不僅有助于設計團隊快速創建或調整虛擬機和HPC集群規模，而且還能夠通過AWS云端訂閱和靈活的單點登錄SSO功能簡化團隊對企業云環境的訪問。
Ansys 2023 R1版本更新中，包括在Ansys Fluent中完整發布面向各種應用的多GPU求解器功能（如圖）
工作流程集成與自動化
此外，Ansys 2023 R1還基于材料、仿真流程和數據管理（SPDM）、優化以及MBSE功能，通過支持智能工作流程自動化和協作來提高工程效率。Ansys Connect產品組合進一步改善用戶體驗，提供新集成特性和易用的功能，更加輕松地支持最新流程、工具和數據互聯互通，為不同的工程團隊協作帶來更多便利。
日立工業與控制解決方案公司MBSE設計中心總經理Takeo Hashimoto指出：“我們相信Ansys仿真工具與MBSE的集成，能夠使我們了解整個設計流程，從而降低開發成本，提高工程效率，促進創新和設計出極具競爭力的產品。利用Ansys工具以及日立工業與控制解決方案公司MBSE工程方法，我們將大力支持汽車行業的自動駕駛開發工作，同時以更緊密的方式幫助客戶解決生產制造問題。”
工程師還可以通過Ansys? optiSLang?“一鍵式”仿真工具鏈優化來提高效率，以執行設計研究，從而快速探索最佳設計。這些相同的優化算法可用于在Ansys ModelCenter中開展面向MBSE的權衡研究。此外，Fluent用戶還可以使用來自optiSLang的優化功能，以及使用Ansys Minerva的SPDM解決方案進行更智能的協作和數據管理。
展開 
Ansys 2023 R1 新版本正式發布
由AWS提供支持的Ansys Gateway，使開發人員、設計人員和工程師能夠隨時隨地，在幾乎任何設備上通過Web瀏覽器管理其完整的Ansys仿真和計算機輔助設計工程（CAD/CAE）項目。新版本不僅有助于設計團隊快速創建或調整虛擬機和HPC集群規模，而且還能夠通過AWS云端訂閱和靈活的單點登錄SSO功能簡化團隊對企業云環境的訪問。
Ansys 2023 R1版本更新中，包括在Ansys Fluent中完整發布面向各種應用的多GPU求解器功能（如圖）
工作流程集成與自動化
此外，Ansys 2023 R1還基于材料、仿真流程和數據管理（SPDM）、優化以及MBSE功能，通過支持智能工作流程自動化和協作來提高工程效率。Ansys Connect產品組合進一步改善用戶體驗，提供新集成特性和易用的功能，更加輕松地支持最新流程、工具和數據互聯互通，為不同的工程團隊協作帶來更多便利。
日立工業與控制解決方案公司MBSE設計中心總經理Takeo Hashimoto指出：“我們相信Ansys仿真工具與MBSE的集成，能夠使我們了解整個設計流程，從而降低開發成本，提高工程效率，促進創新和設計出極具競爭力的產品。利用Ansys工具以及日立工業與控制解決方案公司MBSE工程方法，我們將大力支持汽車行業的自動駕駛開發工作，同時以更緊密的方式幫助客戶解決生產制造問題。”
工程師還可以通過Ansys? optiSLang?“一鍵式”仿真工具鏈優化來提高效率，以執行設計研究，從而快速探索最佳設計。
展開 “逆”轉！企業如何實現仿真驅動研發，實現正向變革？
仿真處在正向設計和理想模型的中心位置。仿真在設計概念產生之后才會發揮作用，用來及時驗證設計的構想，可以說仿真是創新的保障之一。真正的創新要從MBSE系統設計入手，架構設計時才能產生新的設計。
因此，在研發過程中一定要讓MBSE與仿真并行，并駕齊驅，是兩龍驅動的兩駕馬車，不能只強調仿真，也不能只強調 MBSE，保障中心性。因為時代因素，中國仿真在過去效益并不高，正向設計的要求也不高。仿真需要體系化建設，才能實現仿真驅動設計。僅僅依靠仿真軟件工具，其實起不到這個作用，達不到目的。
黃培
根據您所講述的V型流程，以往仿真技術多在V型的右邊，是一種事后的驗證。仿真驅動設計這個概念已經說了多年，是否已經真的逐漸走向現實了？
田鋒
是的。過去一直把仿真當做工具，其實仿真驅動研發、仿真驅動設計不是工具在起作用，是體系在起作用。我經常用南水北調來舉例，南水北調有很多水泵，水泵就是仿真的工具。南水北調的流程，是設計水泵放在哪里，這是體系性的思維，保證它真正能驅動水往上走。過去我們都只注重工具的使用，而忘記了體系的設計。
展開 2017.06.06-上海-電池設計研討會
電池設計研討會
基于MBSE評估電池設計對優化EV/HEV性能的影響（2017年6月6日，上海）
會議亮點：
電池系統解決方案
整車集成及電池能量管理
國外應用案例分析
日益嚴格的法規要求不斷驅動著汽車的電氣化進程，例如減少油耗及尾氣排放。同時對于純電動而言，還必須解決用戶里程焦慮的問題。能量儲存系統是解決上述問題的關鍵因素。電氣化的系統或者部件的復雜度不斷增加，而用于能力儲存的電池系統也是如此。這就要求電池的功用性、耐久性及其可靠性等都要滿足用戶的期望和需求。
因此，其產生的工程挑戰是多方面的。首先電池系統的選擇要求結合電池制造商的技術、OEMs對電傳動系統的設計仿真驗證需求等多方面要素；第二是不同的車輛設計目標需要選擇對不同電池模塊解決方案進行選擇，從而獲得最佳的期望性能。
要想通過最少的時間和金錢成本而獲得最佳的設計產品，一個成功的關鍵因素就是在工程實際中應用基于模型的系統工程這一方法。Siemens PLM Software將于6月6日在上海舉辦為期一天的電池設計研討會交流會，基于MBSE評估電池設計對優化EV/HEV性能的影響。
會議信息：
時間：2017年6月6日（星期二）
地點：上海銀星皇冠假日酒店 金爵2廳
地址：上海市長寧區番禺路400號，近交通大學地鐵站（10號線、11號線）
費用：免費
主講人：技術專家Dr. Sivashankar Shiva，Mr. Sellier Franck，提供中文翻譯
主講專家介紹：
Shiva N. Sivashankar博士：密歇根大學電子工程博士，曾在福特汽車公司負責傳動系統的基于模型的控制系統開發工作，在傳動系統、底盤和新能源汽車子系統等機電系統的研發方面有豐富的經驗。現在Siemens PLM Software擔任MBSE解決方案總監。
展開 技術交流 | MBSE技術及其在航天產品領域的應用建議
2 航天領域MBSE實踐
近年來，在航天領域開展了MBSE應用實踐，初期重點圍繞MBSE語言工具培訓、型號試點應用、建模方法研究等方面開展工作，在過程中統一理解和認知；在廣泛調研與理論探索的過程中不斷與現有流程相印證，梳理、總結、提煉出了基于模型的航天器系統設計與驗證過程及MBSE初步工作指南；將MBSE正向設計流程逐步引入型號研制中，在典型應用實踐中不斷完善航天領域的MBSE方法，為后續的推廣應用打下了基礎。
以載人月球探測飛行器研制為例，由于系統復雜度高，為提高研制與管理水平，正在推行MBSE方法在型號研制全周期的應用，探索制定數字化研制工作規范，推進數字化手段與工程現有研制流程的有機融合。目前初步開展了基于模型的需求分析、系統設計與仿真驗證工作。需求建模方面，實現了多級需求的分解和追溯關系的建立；系統設計方面完成了基于模型的功能、架構分解和飛行方案設計，并開展了基于模型的設計評審；系統級仿真驗證方面，正在開展基于Modelica語言的多學科建模和多專業耦合仿真驗證工作，目標是在方案階段完成基于MBSE的數字化設計閉環仿真驗證。
在深空、遙感、通信等領域不同航天器研制過程中均開展了MBSE實踐。實踐證明，MBSE在航天領域的發展趨勢是明確的，但初期由于建模工作量大、周期長，應用效果不容易體現，導致推廣過程中不可避免的會存在一些質疑與異議。例如：
（1）語言過于抽象，工程人員學習和理解困難，未掌握前反而影響設計效率；
（2）工具難掌握，模型資源匱乏，設計缺少基礎庫的支撐導致設計效率低、模型質量差；
（3）方法普適性強，但專業性不足，缺少針對行業領域特點本地化的方法論。
展開 