MBSE應用的案例
基于模型的系統工程（MBSE）的發展史以及典型應用分析
（圖 1 INCOSE規劃 MBSE的發展愿景與路徑）
與基于模型的設計和計算機輔助設計的概念不同，MBSE并不專注于解決特定學科的設計問題。MBSE強調面向系統工程過程的建模，建模并形成系統需求、系統分析、系統設計、系統驗證和其他過程中所涉及的分析元素的有機聯系，以再現系統演示和設計思想，并在整個生命周期中保持系統信息的一致性和可追溯性?？傊嗝襟w設計和計算機輔助設計是面向設計的，而MBSE是面向系統工程的。就MBSE概念的內涵而言，“基于模型”是一種手段，屬于媒體的范疇，“系統工程”是商業的范疇。因此，MBSE不是一個可以立即使用的通用方法。在MBSE的具體應用過程中，建模理念應結合實際業務進行深入的定制設計。通過清晰的系統工程業務流程的指導，以模型為工作介質，合理組織系統工程工作流，并通過模型輸出表達系統工程各工作節點的結果和結論，最終實現建模方法的實施。
MBSE典型應用分析
2010年，OMG對美國各軍工企業的MBSE應用進行了調查，結果顯示，47.2%的企業將系統建模集成到業務流程中，24.1%的企業正在制定系統建模應用計劃，19.4%的企業正在考慮制定計劃，只有9.3%的企業根本沒有計劃。此外，66.3%的企業愿意參與系統建模語言的開發。德國's“工業4.0實施計劃”將“通過使用模型來控制系統復雜性”列為未來活動的八個重要領域之一。這些數據和信息表明，以美國和德國,為代表的工業強國充分重視MBSE，并在MBSE進行了廣泛的實際應用和不斷創新。一些外國案例已經在中國得到解釋和介紹論文。本文強調了典型MBSE應用的目的，并對國內外一些典型應用案例進行了分類和分析。
展開 系統工程和MBSE概念定義和內容明晰：MBSE產品的定義、特點和應用范圍
圖3 基于文檔和基于模型的區別
所以，開篇提到的把“系統工程”等價為MBSE，或者簡單的認為MBSE就是SysML建模都是片面的，也是不準確的。
那為什么這么多人都認為MBSE就是SysML建模的等同概念呢？
其實這主要是以下幾個方面的原因疊加造成的認知片面導致的。
系統建模工具廠商刻意宣傳的效果，尤其是SysML工具的供應商基本宣傳策略就是構建MBSE能力就是掌握SysML系統建模應用；
產品設計經歷了逆向仿制到正向創新的發展過程，在正向創新的產品開發流程中亟需提高和完善的能力是需求工程和系統功能分析與分配。主要集中在V流程的左半邊，越往上越欠缺。如圖 4黃色虛線圈的位置。因為欠缺，所以更關注，也就造成了用MBSE“指代”需要提高能力的那部分內容；
MBSE應用的最大優勢之一是在設計的前期充分的開展需求分析和功能分析，通過架構權衡實現早期設計缺陷的識別，并及時修復。這是一種研發范式的轉變，如圖 5所示。通過這種新范式可減少后期缺陷的數量，降低修復缺陷的經濟成本和時間成本。
一般，以上對應的MBSE內容我們姑且定義為狹義的MBSE，那么，狹義的MBSE包括需求捕獲、需求撰寫、需求分析、系統建模、功能和邏輯分析、系統仿真、需求驗證、需求和模型管理等。如此，勉強可以認為（狹義的）MBSE就是SysML建模與分析。這也是目前大多數人對MBSE概念認知的范圍。在此還是倡議溝通交流中能明確界定概念，避免造成MBSE概念和范圍的混亂，甚至認知誤區，這對于長遠發展MBSE是不利的。
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 MBSE產品模型架構應用：基于模型的系統工程 (MBSE) 在汽車傳動系統子系統架構中的應用
● 基于文檔的方法的新需求將需要與其他需求進行大量交叉引用，并且很可能出現冗余和遺漏
應用 MBSE 的好處：參數輸入級聯和控制
● 通過參數關系，頂層假設的變化立即級聯下來，并可以與現有的組件變量屬性進行驗證
○ 例如，如果一檔發動機扭矩上升，它會立即計算為變速器輸出扭矩并與軸最大值進行比較 輸入扭矩限制。這些是計算出的 SysML 值用作警報，但還需要存在詳細信息以定義過去的系統級別。不要太深太復雜，你會看不到大局。
○ 輪胎特性的變化可以與半軸接頭設計限制自動關聯和比較
● 如果輸入假設超過設計限制，模型會顯示輸出錯誤，提醒工程采取行動
文章來源：系斯?？萍?/span>
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
行業應用
國外在MBSE的方法及應用方面開展了廣泛研究與實踐：空客公司在A350系列飛機的開發中全面采用MBSE，在飛機研制中逐層細化需求并進行功能分析和設計綜合；洛克希德·馬丁公司采用MBSE統一進行需求管理和系統架構模型，并向后延伸到機械、電子設備以及軟件等的設計與分析之中；羅·羅公司依據 INCOSE系統工程手冊制定了其自身的系統工程能力框架，實現了從航空動力系統到子系統到部件的系統工程迭代；波音公司構建了以任務和需求定義、邏輯和功能集成、功能和邏輯架構設計為核心的、覆蓋產品全生命周期的MBSE過程，從運行概念到需求到設計到生產。
近年來，中國航空航天領域也開展了MBSE的應用研究，中航工業西安航空計算研究所利用基于模型的系統工程需求分析、功能分析、架構設計方法在某型動力電子控制系統設計中得到了初步應用；中國空間技術研究院載人航天總體部將 MBSE方法應用于載人飛船交會對接任務中，提高了設計效率、改善了人員溝通、進一步降低了設計風險；中航工業飛行自動控制研究所對MBSE流程進行了結構化定義，明確了系統工程活動、輸入輸出及相應的崗位角色，并在飛控、慣導等復雜系統開發過程中進行了 MBSE方法論與工具的實踐；中航工業第一飛機設計研究院采用 Rational DOORS進行需求管理，并按照 Harmony-SE 流程，采用Rhapsody工具完成空中交通防撞系統以及航電系統的系統分析、設計與建模。
展開 MBSE產品模型架構應用流程——以火災衛星為例
基于模型的系統工程（MBSE）能夠快速提升制造創新能力、優化制造研制流程，是加快制造升級和數字化轉型的必要技術。
對于復雜裝備制造業的長期研制生產，將MBSE應用其中，可以借助模型增強共享信息的能力，改善開發系統時利益攸關者之間的溝通效率，提高信息的可追溯性、可共享性及復用率。
以火災衛星為例，我們整理解析基于MBSE的數字化轉型初期實施流程。
火災衛星應用MBSE實施流程是“不斷打開”的過程，我們稱之為“OpenBox”，隨著實施流程推進逐漸清晰明了。在此分為四個階段，定義為P1、P2、P3、P4四個階段。各個階段都有具體事項和細致的準備工作。
P1
在P1環節中，將P1階段看作是一個黑盒，我們首先要對“火災衛星”進行實施規劃，提前做好整體工作的規劃，包括培訓人員、目標、交付時間與項目里程碑等等信息，保證初步實施流程順利進行。
展開 MBSE咨詢服務與工具——MBSE在汽車行業的應用
將基于模型的系統工程（Model Based System Engineering, MBSE）方法應用于整車開發過程中，可解決傳統整車研發過程中的工程數據一致性、可驗證性、可追溯性的問題，降低整車產品開發難度、盡早發現和避免潛在風險，進而提升開發效率和降低開發成本以及后期維護成本。
MBSE在功能開發和驗證中的應用
咨詢服務
MBSE流程咨詢與實施:車載嵌入式軟件流程、需求管理、需求采集、需求分析、功能設計、架構設計、需求形式化驗證、功能驗證、架構驗證、需求發布和復用過程和工具咨詢及實施
MBSE相關培訓:用例分析、基于模型的需求分析、SysML/UML建模語言、基于Rhapsody的系統工程仿真等方法培訓
MBD流程咨詢及服務:嵌入式高性能多核異構平臺的前沿智能算法快速驗證咨詢,基于模型的嵌入式軟件國產化平臺快速驗證定制服務
相關工具
展開 MBSE在航空航天行業的應用【西門子獨家資料】
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如何把MBSE應用到航空航天？
A：多年來，航空航天和國防工程一直處于難以為繼的困境中，研發周期延長，研發成本飛漲。與世界上所有其他工程一樣，面臨著不斷創新、快速交付和降低成本的壓力。
正如本文所述，
基于模型的系統工程（MBSE）方法有望在所有這些領域中讓行業獲得收益。下面我們介紹通過采用MBSE獲得成功的方法，以及在數字化過程中要謹記的一些經驗教訓
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展開 MBSE建模應用案例和實踐經驗：MBSE技術在Mars2020火星探索項目中的應用實踐
引
言
本文是美國噴氣推進實驗室就MBSE技術在火星2020項目的應用階段總結性論文，論文給出了使用MBSE的最初動因、遇到的問題、實踐過程中的經驗和目前的困境。該論文可為MBSE在系統工程應用的定位帶來一些客觀的思考。
本文為知元公司根據原文翻譯整理，鑒于專業能力，翻譯中難免存在錯誤或理解歧義，請參考使用。
摘要
噴氣推進實驗室（JPL）好奇號火星探測任務的成功，促使美國宇航局支持Mars2020火星探測實驗室建造第二個火星車（毅力號）。Mars2020選擇引入基于模型的系統工程（MBSE）來協助設計飛行系統。本文將介紹在Mars2020項目中引入MBSE的動機，并將解釋Mars2020飛行系統模型的當前狀態。此外還將討論MBSE方法的局限性。
1引言
2012年8月6日，噴氣推進實驗室（JPL）火星探測器科學實驗（MSL），的好奇號探測器成功登陸火星表面，開始了它的地質和環境研究，尋找火星上過去存在生命環境的證據，這些環境非常適合支持微生物的生命。飛行器著陸方式設計為自主式，飛行器在火星大氣層中自動轉向，展開降落傘，并采用了一種空中起重機方式，把直立的火星探測器漫游者用繩子拉下來，讓它的輪子在火星上著陸。在不到一年的時間里這次令人驚奇的著陸方式，好奇號已經達到了它的主要科學目標，并繼續在火星巖石中鉆取樣品，通過分析儀器內的車載試驗室分析樣品的化學成分。
MSL的成功促使美國宇航局向噴氣推進實驗室提出新的挑戰，要求它建造第二個火星車，要求價格僅為原計劃的一小部分。
展開 MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（下）
UKF使得估計更加準確，盡管UKF中的運算，例如無跡變換（UT），即算法2中的UT函數，可能看起來比EKF更復雜，但張柏強等人和Raitoharju和Piché深入研究了對各種卡爾曼濾波器擴展應用的實際計算復雜性和優化的評估。
表5描述了使用MBSE方法結合MDA組件對上述AUV應用的評估。
表 5.評估基于模型的系統工程（MBSE）方法結合模型驅動架構（MDA）的魚雷形AUV控制應用
（CIM，獨立于計算的模型；PIM，獨立于平臺的模型；PSM，特定于平臺的模型；IDE，實現開發環境；OMG，對象管理組；XML，可擴展的標記語言；MOF，元對象工具；UML，統一建模語言；SysML，系統建模語言）。
展開 MBSE產品模型架構應用：基于模型驅動架構概念的自主水下航行器控制器的MBSE應用（上）
在開發新的AUV應用的生命周期時，還必須考慮可重用性，以降低成本和資源。對象管理組織（OMG）標準化了統一建模語言（UML），該語言是用于可視化，指定，構造和記錄軟件密集型系統工件的行業標準。系統建模語言（SysML）由OMG標準化用于系統工程。SysML是UML的擴展，可以提供簡單但功能強大的構造，用于對各種系統工程問題進行建模。然而，UML和SysML的缺點是它們缺乏對已開發系統的內部連續行為的演變進行建模的能力。
另一方面，基于模型的系統工程（MBSE）方法由INCOSE形式化，以在復雜系統的開發生命周期中對整個工件進行穩健建模。在對MBSE方法的調查中發現了系統工程方法的例子，包括Magic Grid，Harmony-SE，面向對象的系統工程方法（OOSEM），系統工程的合理統一過程（RUP-SE），狀態分析方法和對象過程方法（OPM）。模型驅動架構（MDA）由OMG標準化，用于將系統操作規范與系統如何使用其平臺功能的細節分開。MDA 的三個主要目標是通過架構關注點分離實現可移植性、互操作性和可重用性。在這里，可移植性允許在新的或多個平臺上實現相同的解決方案，互操作性創建了可以輕松與其他系統集成和通信并使用各種資源應用的系統，而可重用性構建了可以在不同上下文中的許多不同應用中重用的解決方案。Sebastián等人通過在2008年至2018年期間對軟件工程中的MDA文獻進行系統映射來調查MDA應用。實際上，MDA的原則可以在統一架構框架（UAF）中使用，以加強系統的互操作性。在許多商業應用中，實時SysML / UML已與上述基于模型的系統工程方法相結合。因此，MBSE方法和MDA的功能可以與實時UML和SysML結合使用，以詳細描述開發系統的工件。
展開 
MBSE建模案例：法馬通集團復雜核電設備MBSE應用案例
需求工程：需求工程和MBSE比較密切，包括需求的捕獲和分析，協商，早期的驗證與確認，需求記錄和追溯性。頂層需求是MBSE架構設計的基礎，通過需求建模與架構分析，對需求進行分解、細化或者刪除相互沖突的需求。
4 小結
Arcadia方法提供了通用的建模步驟和方法，但該方法和步驟是靈活的，可以根據工程產品的實際情況進行裁剪，以適應具體的工程需求，實踐證明Arcadia方法是面向工程的方法，符合系統工程師的思維。
法馬通集團采用了Arcadia方法實施系統工程后，提高了工程相關方人員之間的交流效率，消除了不同團隊的歧義性，MBSE保證了信息的一致性，同時系統模型也提高了設計質量。
法馬通集團實施MBSE的待深入研究的工作還有：增加更多的視點，如用于安全性分析的視點，評估關鍵功能鏈路的性能的視點，以及支撐架構組件權衡選擇的視點等；與其他工程流程集成，如可以做完安全性評估、人因工程、IVVQ等流程的輸入；MBSE系統建模工具與領域工程工具：仿真、3D設計工具的集成；MBSE技術流程與項目管理的集成，如MBSE的構型項，能為構型管理提供幫助，有助于針對變更快速開展影響性分析。
文章來源：iMBSE online
展開 MBSE建模應用案例和實踐經驗：MBSE在鐵路基礎設施安全自動化中的案例
該項目采用特定方法和工具，應用到OCTYS等復雜系統，使系統集成和鑒定階段更加高效。
2.1 OCTYS硬件架構
關鍵問題是如何將OCTYS系統與現有的線路中的設備、本地控制站和中央控制連接起來。
圖2 場景下的OCTYS
OCTYS是由多個計算機組成的分布式體系結構，通過通信系統（一個專用的現場網絡和一個列車無線電網絡）相互連接。
OCTYS由五個模塊組成:
· PAE: 列車嵌入自動駕駛儀 (一個列車電子計算機單元),
· MES: 與線路設備有接口的遠程I / O模塊 (鐵路、信號、開關),
· PAS: 地面自動駕駛儀 (每個管理物理線路上的一部分),
· FRONTAM: OCTYS和線路中央控制之間的接口,
· STD: 智能通信系統管理。
2.2 集成和鑒定需要
BIQS平臺的主要目標是:
· 改善集成階段工作, 在實驗平臺上使用測試管理搭建和驗證新的線路,
· 在其生命周期內監控OCTYS系統（操作和維護活動），支持查找和協助診斷,
· 測試和驗證系統的未來的改進和更改,
· 支持可交換性
系統鑒定平臺的目標和任務:
· 考慮實時約束和典型行為，仿真整線的能力，
· 集成不同模型并執行聯合仿真 (火車、線路、交通、信號、安全規則,自動駕駛儀…)的能力,
· 不需要繁重的重新配置工作，就能與實際目標機交換目標模型的能力,
· 模擬數據傳輸系統能力,
· 通過故障引入獲得系統功能退化模式的能力,
· 在自動模式及交互模式下集成測試用例的能力,
· 配置線路具有靈活性和擴展性的能力,
· 提供HMIs便于分析的能力,
· 重放記錄的事件的能力。
所有這些能力合在一起體現了RATP項目的一個重大創新。
展開 MBSE建模應用案例和實踐經驗：挖掘機傾覆解決方案（工業設備行業MBSE方法實踐）
得益于3DEXPERIENCE平臺和MBSE方法，項目經理和工程師們可以在產品開發過程中驗證市場和消費者需求之間的正確聯系，對市場和客戶需求做出非常積極的反應。
基于3DEXPERIENCE 的MBSE方法
根據國際系統工程學會給出的定義，MBSE是從概念設計出發，使用建模方法逐次支持系統需求、設計、分析、驗證和確認等活動，持續貫穿整個設計生命周期。MBSE起源于航空航天領域，致力于解決復雜系統的研發問題，而現在隨著各行業領域產品復雜度的不斷提升，MBSE方法也逐漸“出圈”，開始應用于各行各業。
圖11 “V”形開發流程
基于模型的系統工程（MBSE）屬于“需求驅動型”研發模式，在需求分析階段進行系統需求的捕獲、分析和驗證，在早期暴露并全部解決需求存在的隱患和問題，并基于驗證后的需求開展后續研制，大大減少了研制過程中的反復和浪費。
RFLP框架即分為Requirement、Function、Logical和Physical四個層面，導入需求管理中的需求條目和架構后，在功能和邏輯層進行細分架構和建模，物理層面是三維模型，配合仿真可以直觀地觀察其動態行為。特點是統一數據源、保證數據連續性，同時在設計研發過程中可以不斷迭代，提高研發效率。
-END-
文章來源：達索系統
展開 MBSE實踐之基于SMW的多領域系統建模和應用
作為MBSE理論與實踐中的最重要的部分，模型貫穿MBSE理念的始終。最近工程界有一句話比較流行，“Talk is cheap. Show me the model”。
