基于MBSE模型的标准体系构建.pdf

标准化研究Standardization Research2023 年第 9 期http:/211 引言标准体系是装备在研究制造中的重要基础，是制造各阶段应用技术的保障，是研究、生产、使用和管理等各阶段的标准化要求。标准体系通过研究制定标准，规范装备的研究过程，确保了产品开发的效率和质量。随着我国科技产业的快速发展，对装备研究的专业化和信息化越来越高。对于研究周期短和专业化程度高的装备制造来说，需要构建完善的标准体系。但由于缺乏系统的方法，标准体系建设处于起步阶段，在体系建设和实施中出现了问题，如体系间的相互独立性和管理体系的交叉现象。作为新兴的系统技术，以模型为基础的研究正在不断扩大，其在防卫产业的应用也起到了重要的作用，受到政府机构和国防的广泛关注。本文基于MBSE(Model-Based Systems Engineerin，基于模型的系统工程)模型方法1，设计了面向对象的 MBSE 模型，并构建了标准化系统，为相关工作提供参考。2 标准体系目前面临的问题标准体系是保证装备研发的重要工作。美国、俄罗斯等国家在装备开发中较为重视标准体系的建设。通过在装备研制过程中的标准化管理，实现了统一的编制和管理，提高了装备研发的质量和效率。从国外标准体系的建设来看，以项目为基础的标准体系，是装备标准化生产与管理的重要方法。分析装备研发的需要，确定研发标准，并根据实际工作的需要进行体系建设，可以提高装备的研制水平。确立以项目为基础的标准体系，基于标准框架和结构，对装备开发中的问题进行分析，以此来确定开发内容。形成以项目为基础的系统开发，以体系结构为基础框架，确保各环节的标准化模型层次清晰，各体系间相互支持和促进，在研究中满足需求的标准化管理。在国外发达国家，在装备的研发中，形成了系统完整的标准体系和工作流程，在各环节实行标准化管理，以保证装备产品质量。美国、英国和俄罗编辑：胡欣E-mail:电子科学研究院 武 宁 沈方达Construction of Standard System Based on MBSE Model摘 要 围绕制度指导和保障需求，针对标准体系目前存在的问题，研究基于模型的系统工程管理措施，建立以模型为基础的标准体系，并对该体系建设的需求分析、模型设计、评估验证进行分析，以提高多学科共同优化设计，加快产业数字化转型。关键词 MBSE 标准体系 数字化转型Abstract:Focusing on institutional guidance and security needs,and addressing the current problems in the standard system.This paper researches model-based system engineering management measures,establishes a standard system based on models,and analyzes the requirements,model design and evaluation validation of the system construction to improve multidisciplinary collaborative optimization design and accelerate the digital transformation of the military supply industry.Keywords:Model-Based Systems Engineerin;standard system;digital transformation 基于 MBSE 模型的标准体系构建标准化研究Standardization Research信息技术与标准化http:/22斯等国家在确立的标准体系，采用了“标准-指南-技术标准”的体系架构，按类型分别制定具体的实施标准，形成完整的技术体系。英国通过标准化委员会，加强装备研究开发的标准制定。俄罗斯通过标准化委员会，开展装备开发的标准化工作。我国从 20 世纪 90 年代开始在航空、航天和船舶等推进了标准体系建设，确立了完善的标准体系框架。但是，由于研究标准化的方法不足，缺乏对体系建设的有效管理。我国的标准系统还有一定的问题：第一，部分内容不够完善，并且实际的技术应用缺乏自上而下的设计；第二，研究开发中，项目和标准没有有效结合,导致标准体系不能相互促进，项目的标准不能满足实际应用需求；第三，现有标准体系装备对实际存在的问题研究不够，并且实际过程也缺乏一定的针 对性。3 MBSE 方法研究MBSE 概念是在 1987 年由美国系统工程学创始人 A.Wayne Wymore 教授提出，但是也仅是基于模型的系统工程学的理论。2007 年，国际系统工程协会针对产业和学术的MBSE 计划提出基于模型的系统工程。从概念设计开始，到开发和之后的生命周期，为系统要求、设计和验证活动。MBSE 以数字模型为中心传递信息，包括使用需求、结构、参数和验证模型，确保了信息传递的一致性，确保了多领域的明确合作，降低修改设计的成本。2008 年，在 MBSE 方法综述中提出了构成完整的要素的相互关联，描述了基于 MBSE 的新方法，以支持基于模型的系统工程。国内的 MBSE 目前还处于初步阶段，只有少数机构进行了试点，成功的案例并不多。目前，国内的方法和使用基本参照国外的案例，未形成权威的体系，对于 MBSE 的应用尚不成熟。MBSE 重视模型的再利用和共享，在实际的体系建设中具有较强的结构性，可作为体系建设的参考。4 基于 MBSE 模型的标准体系构建以 MBSE 为基础的标准体系构建，将系统工程和标准化组合，定义各要求属性，阐明各事项和属性之间的关系。通过构建标准体系，提高实际应用的可视性，基于各模块设计强调了各体系存在的关系。现有的系统工程构建在不能直接看到密钥内容或开发阶段等信息，但基于模块的构建可以追踪标准信息，确保了标准系统的不断完善与优化。本文中，建立以 MBSE 模型的标准体系主要包括需求分析、功能模型设计等。各阶段实施方法如下。4.1 需求分析需求分析作为体系构建的重要步骤，明确体系的目标和需求，并考虑实现过程中所需的资源和应用。确定标准体系构建的目标，包括系统的应用领域、范围、目标以及应遵守的相关标准。收集标准系统和应用场景的信息，对比收集新标准的优缺点和设计场景的要求。根据需求和资源确认构建方法和流程，以此来确定开发工具和平台。4.2 功能模型设计功能模型是标准体系的关键，确定了所有要素和关系。在这个阶段需要构建标准的模型，系统模型必须包含整体架构、模块的功能以及系统要素的关系等信息。在模型设计中，运用相关工具，实现模型建模和验证分析等标准体系模型。管理保持标准的模型和设计，以备后续使用的维护和更新。4.3 逻辑设计逻辑设计的目的是确认系统的可执行性，确定系统结构和子系统设计。在系统工程中，系统架构需要满足元件和子系统的功能分配。同时，功能之间的通信和数据的发送支持在系统的整个生命周期，避免对逻辑需求和物理结构的变更影响，对于运行性能要求的改变，需要加强逻辑设计。逻辑结构设标准化研究Standardization Research2023 年第 9 期http:/23计构建方案需要做好统一结构的分解，根据子系统程序完成功能分配，确立子系统外部和以及各系统的相互作用，通过系统的状态定义，对需求模型进行验证和确认。物理架构是系统功能的要素集合，描述了物理元件及其连接性，包括了元件的分配功能。确定物理要素，构建物理元件之间的接口。科学的物理架构模型，可以快速的模拟分析。通过对不同物理架构的设计比较，从成本和性能等指标选择最佳架构。架构完成后，设计输入形成电气图的功能，以及系统硬件、网络、电气功能设置，基于有效的连接设计，从系统的总体角度出发，遵循物理结构功能，进行功能建模、硬件选择和软件架构匹配性仿真分析。从子系统出发，根据逻辑设计规范，部署子系统级设计流程，输出产品并集成到系统内部。接口控制文件作为设计的最高补充。系统的接口包括数据库的建立和管理，是系统性能评估的重要基础。完成总线流设计、信息流仿真、总线模型搭建和相关程序源代码，基于仿真分析有效指导实物测试。4.4 数字功能设计数字功能基于数理模型的方式表现，分析系统的综合功能和性能指标，使用建模的环境进行模型，运用条件控制模型。使用信号与时间模拟电子信号与时间，包括总线负载分析、时间分析和信号端分析等内容。导入数据后，根据 ICD 数据构建拓扑模型。根据总线通信特性，分析负载使用量和流程等，评价总线选择。为了防止延迟问题，对总线的时间进行建模，分析最坏响应时间，确保系统设计和参数满足时间限制。功能模型和物理模型设计后，选择标准协议为桥接，使用标准接口实现模型信息的交互，基于模型合并和协同，推进关性能的模拟分析，并进行后续的验证和最优化选择。在综合系统完成设计流程时，提交各子系统的规范性。协同完成模拟后，根据升级完成系统集成验证工作。从综合模拟到半物理模拟，逐个地重复产品模拟，通过系统集成和实验，发现步骤级问题，实现系统集成和集成验证的全过程模拟，形成封闭的设计验证体系。4.5 构建数字化设计集成环境MBSE 系统模型的顶层设计，从技术角度出发，进行模型集成和转换，基于多学科模型建立，使系统工程实现了多学科设计协作，可实现数字化设计、集成环境构建和多领域学科优化协作。开展产品的总体设计和实验，对于不同地区、不同学科的人员将在同一平台内开展联合设计仿真。开发了全生命周期中使用的模型的系统，提高了项目的经济效益，并且也缩短了的开发时间，提高了标准体系构建的整体质量。深度应用 MBSE，建立模型的设计和验证平台，对零部件和环境库建模，为系统设计提供支持，实现模型的模拟和验证，还将支持多个阶段的分析，包括性能分析、环境分析和制造可能性分析等，为全面集成的系统提供支持，提高了系统工程效率，实现了标准体系研发效率的提高。标准体系构建综合、集成的数字环境，提供从研发、制造到维护的全生命周期管理。构建全面集成的平台，并积极投资新的 MBSE 能力，以加速标准体系向数字化转型。构建数字工程生态系统，开发支持设计、分析和验证的数字子系统。模型必须与其他领域所使用的模型相结合，这是工程学需要解决的课题之一。使用权威的模型和数据源。在生命周期期间，数据在多学科领域持续传递，支持从设计到处理的所有活动。将以文件为工作基础转变为以产品为中心的数字战略。基于集成的模型开发，建立可以在多个领域使用的框架和共享模型库，加强项目开发和维护。基于这一愿景，需要开发用于制造、集成和保障的数据环境。数据环境集成系统结构建模，包括设计工具和生命周期管理，系统授权工程师执行项目管理，保护系统设计和制造的集成化管理，用于早期系统的研发使用。采用 MBSE 的方法将模型应用工程的核心，构建跨学科的信息平台。连接模型以提供真实的信息源，促进相关者的交流。将 MBSE 模型整合到设计制作软件中，基于主模型的修改和配置，获取所需的主要性能变量，减少错误的发生，加快标准化研究Standardization Research信息技术与标准化http:/24了设计开发。4.6 数字化建模与仿真在标准体系构建中，需要研究三维模型的应用。由于不同的系统的模型格式不统一，系统之间的版本不同，难以实现共享。在结构复杂的情况下，信息会导致模型变形。同时，模型数据量大、对资源的依赖程度高，导致形成三维模型数据，无法共享设计，制约了数字化设计的发展。因此，加强轻量化三维模型设计，要求多种用途的标准模式形成,减少有效的传输，使三维模式实现数据共享。基于不同的三维模型的应用场景，需要为技术要求进行整理，制定统一的标准，向三维模型的简化提供了指导方针。因此，数字化设计有效地促进了标准体系构建发展。按照国家标准构建标准体系，推进产品向三维建模技术的应用开发，提高三维设计效率和产品质量。5 MBSE 发展建议推荐国内具有自主知识产权的研究开发，从研究开发的角度出发，采取适当的政策来推进开发活动，推荐使用自主开发的产品。MBSE 的方法和工具作为研究开发的手段，应在公平竞争下选择更适合的产品。随着 MBSE 的发展，在工程研究中的地位将越来越明显，如何拥有独立的知识产权，有必要加快研究开发。在此过程中，需要给国内产品适当的竞争空间，迅速开发产品。建立高层次的资源共享团队，营造资源共享的氛围。模型作为重要的资源，其来源非常广泛。如果在标准体系构建中，没有合理的引导，基础构建将会非常混乱。在研究机构的协助下完成项目，加强了规模较化的开发系统任务。为了促进模型的有效利用，需要建立完善的市场机制。模型是资源的一种，仅依靠共享路径是不现实的，建立特定的机制，将特定价值的模型作为市场上流通的推广路径是，体现了对知识产权的保护和尊重，有效打击不合理开发应用。有了完善的市场机制，供需求方就可以在法律的保护下不断发展相关技术的应用。构建基于模型的数字工程，使信息畅通无阻地从模型流向系统。将系统需求细分为各功能模块，设计出包含系统级部件、可选链接的结构。设计者可以在 MBSE 数据库中再利用，在系统中将信息转换成零件和材料的列表，并确保系统之间术语的一致性。根据模型链接有关要求，需要加强结构信息的统一性，从系统追踪所有源的细，以确保设计满足标准体系构建要求。开发人员可以评估系统是否适合，确保了研究应用的使用价值。6 结语综上所述，推进信息技术与制造业的融合、加快推进装备研制的数字模式转型，成为军需产业领域发展的重要任务。我国以 MBSE 展开的研究大部分基于国外的成果，对适用于我国国情的研究还处于初期阶段。为此，借鉴发达国家的经验，按照发展现状进行标准体系构建，与实际情况相结合，做好统一规划。加快促进装备研发的数字模式转换，为系统工程的高质量发展提供全新的发展道路，为装备的研究提供高效率和高品质的开发成果，保障国防科研管理模式的快速变革。随着数字化转型的推进，MBSE 在装备研发中的应用也需要不断深化，从试验过渡到发展，以全面整合的标准体系构建为基础。构建数字工程环境，为装备的全生命周期管理提供必要的保障。参考文献1 马燕燕,杨志斌,江国华.一种 SysML 模型到AADL 模型的自动转换方法 J.计算机工程与科学,2020(3):456-466.(收稿日期：2023-08-25)