什么是基于模型的系统工程 (MBSE)?
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复杂数字工程系统插图

发布日期:2023 年 12 月 2 日
撰稿人:Amanda McGrath、Alexandra Jonker

什么是基于模型的系统工程 (MBSE)?

基于模型的系统工程 (MBSE) 是一种使用模型支持系统整个生命周期(从概念和设计到验证和确认工作,直至退役)的方法。

传统工程方法依赖基于文本的文档和手动流程,MBSE 则不然,其使用数字建模和仿真来设计系统。这些模型提供一种可视化的交互方式来表示系统组件及其之间的连接。这种方法对复杂的系统和界面尤其有帮助。

数字模型也更容易更新。MBSE 因而比传统方法更加高效,而且更加清晰,错误风险降低,工程团队和其他利益相关者之间的沟通和决策也更加顺畅。在项目的所有生命周期阶段,信息都能保持一致。

MBSE 有何优势?

在设计复杂的系统和子系统时,相较于传统工程方法,基于模型的系统工程流程具有以下优点:

交流合作加强

模型的可视化和交互式性质有助于不同的利益相关者更好地了解开发过程,为开发过程助力。

质量和准确性提高

通过提高可追溯性,MBSE 降低了以文档为中心的系统中的常见错误和不一致风险。模型提供了一个单一可信信息源,确保所有利益相关者都使用相同的信息,能够快速识别系统级别的问题。

快速高效

MBSE 能够及早发现和纠正问题,大大减少开发时间和成本。它通过模拟和快速迭代进行快速分析,可促进自动化

更加复杂

在处理“多系统的系统”或任何汇集多个系统的资源用于创建更复杂的系统的项目时,MBSE 非常有帮助,因为它可以清晰、公开地表示系统内错综复杂的关系和依赖关系。

可扩展性和灵活性

MBSE 可以调整适应各种规模和复杂性的项目,成为适用于各种应用程序的通用方法。它还有助于在整个产品生命周期内为产品开发提供支持。

MBSE 的主要组件是什么?

MBSE 有三个主要组件:第一个是系统架构模型 (SAM),作为项目的单一可信信息源。第二个是工程仿真软件,用于确定 SAM 中的内容是否符合要求以及是否按计划运行。最后一个是集中式计算中心(可以是基于云的或物理的),负责执行所有功能并存储结果。这些部分共同构成数字线程。数字线程确保在一个模型更新时,随后系统中的所有其他模型都会进行相同的更新。

MBSE 的工作流程是怎样的?

基于模型的系统工程流程包括一系列相互关联、在从概念到完成的整个过程中指导系统开发的阶段。

首先,利益相关者定义系统的目标及其运行环境。然后将这些需求转化为具体的、可测量的系统需求。MBSE 工具和数据建模支持创建详细的模型来捕捉这些需求,使其与总体目标协调一致。通过系统架构设计,开发系统的总体结构。

开发好架构后,就开始对各个组件进行更详细的设计。MBSE 有助于系统行为仿真,让工程师能够在虚拟环境中测试和完善其设计。这有助于在构建物理原型之前识别和解决问题。

从这里开始构建和组装系统,使用模型作为参考,以确保一致性。随后是验证、测试和确认流程,确保系统按预期运行。部署之后,MBSE 模型可用于支持维护活动和任何未来的升级,确保系统在其生命周期内持续满足不断变化的需求。

MBSE 有哪些实际用例?

MBSE 方法运用于许多行业,尤其是软件开发和软件工程。一些关键示例包括:

航天

使用 MBSE 的著名组织包括美国国家航空航天局 (NASA)。对于航天器和卫星系统等复杂项目,NASA 使用 MBSE 来处理不同系统之间错综复杂的交互,以及模拟各种太空任务场景,从而显著降低了太空探索的相关风险。

汽车

福特 (Ford) 和宝马 (BMW) 等主要汽车企业也在汽车设计中使用 MBSE。这种方法有助于管理日益复杂的现代汽车,因为其拥有许多先进的电子设备和软件。

国防

美国国防部 (DoD) 利用 MBSE 来开发防御系统。这包括从武器系统到侦察和通信网络的各种系统。

电信业

电信企业也使用 MBSE 来设计和管理复杂的网络系统。这包括开发 5G 等新兴技术的基础设施,因为 MBSE 有助于优化网络布局,确保高速、可靠的通信。

MBSE 使用哪些工具?

作为一种系统工程方法,MBSE 依赖于各种工具和语言,从简单的图表应用程序、电子表格、建模工具和工作流平台到复杂的软件。其中部分示例包括:

  • SysML(系统建模语言):SysML 是一种图形化建模语言,其扩展了 UML(统一建模语言),专为系统工程而定制。它提供了一种使用各种图表来表示系统的标准化方法,这些图表有助于将系统组件和行为可视化。
  • MBSE 软件工具:专为 MBSE 设计的软件工具提供了创建、编辑和管理 SysML 模型的环境。这些工具可促进协作、版本控制以及与其他工程工具的集成。
  • 仿真和分析工具:MBSE 经常使用仿真工具进行测试和系统分析。跨越整个生命周期的数字孪生体或对象或系统的虚拟表示可用作测试的动态副本,以了解系统在不同条件下的行为;这有助于识别潜在问题,优化性能。
  • 需求管理工具:在复杂的项目中,跟踪系统需求至关重要,因此要使用工具来确保捕获和跟踪所有需求,并与系统设计兼容。
哪类项目可以使用 MBSE?

对大型复杂项目,MBSE 极具优势,因为它能够管理复杂性,并促进大型团队之间的沟通。但它也可以调整适应较小的项目,从而改善沟通,减少错误。MBSE 还可以逐步实施,以便在项目扩展时轻松跟踪和整理项目。MBSE 在数字工程和其他工程学科中也很有价值。

MBSE 与可持续发展有何关系?

通过推动更有效的资源分配、减少浪费和促进设计更加节能的系统,MBSE 可以帮助实现可持续发展目标。它强调整体的集成系统思维,有助于开发技术可靠、环境友好的解决方案。

通过 MBSE,工程师可以在构建之前对设计的环境影响进行建模和仿真。这有助于在开发过程的早期即识别并降低潜在的环境风险。它还促进将可再生能源和可持续材料整合到系统设计中,推广环境友好的解决方案。通过优化设计和运营效率,MBSE 可确保新项目消耗的能源和资源更少,从而帮助限制新项目的环境足迹,从而有助于减少碳排放和其他环境影响。

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