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了解MBSE,这一篇文章就够了
 
作者:数字化从业笔记
23841 次浏览     评价:  
 2019-9-11
 
编辑推荐:

本文主要介绍了什么是MBSE? 为什么要做MBSE? 以及我们怎么做MBSE的相关内容,希望对大家能有所帮助 。
本文来自于公众号SZHCYBJ,由火龙果软件微微编辑、推荐。

引言

基于模型的系统工程(MBSE)作为未来工业研发数字化的重要发展方向之一,需要大量相关技术人才支撑其在各行各业的应用。从目前来看,国内掌握MBSE技术的人才数量远远低于需求量,各行业MBSE实践项目受制于人才短缺的现象明显。

可预见的未来几年,随着行业应用需求的增强,将会有越来越多的技术人员投入MBSE方向。这些技术人员的来源,要么是原本各研发岗位上的工程师,通过学习这方面的技术应用到研发工作中;或者是应届毕业生或其他技术方向从业者转向MBSE领域。

不管未来这些技术人员来自哪个方向,在最初接触MBSE这一概念的时候,都不可避免的要了解这一领域方方面面的概念和知识,来实现“入门”。

鉴于此,特将近期做的一次科普性质的MBSE培训部分内容整理如下,希望能够通过一篇文章,用最简单、易懂的语言讲清楚MBSE,为希望了解MBSE的人提供一个大概轮廓和入门导航。

本文章节安排如下:

什么是MBSE?

为什么要做MBSE?

怎么做MBSE?示例

掌握MBSE需要学习哪些内容?

学习资料推荐

1. 什么是MBSE

基于模型的系统工程(MBSE)是相对于传统基于文档的系统设计而言的,传统设计方式中,系统方案设计阶段多数通过撰写方案设计文档来对系统进行定义,如下图所示:

MBSE(基于模型的系统工程) = 用数字化建模代替写文档进行系统方案设计,把设计文档中描述系统结构、功能、性能、规格需求的名词、动词、形容词、参数全部转化为数字化模型表达。

以下例子可帮助直观理解如何从文档转换到数字化模型:

1) 名词(描述系统结构)

基于文本的设计:

“该系统由发动机、通信系统、控制系统、生命保障系统等子系统构成”

MBSE中的数字化模型表达:

2) 动词(描述系统行为)

基于文本的设计:

“系统的启动过程为:首先启动发动机,然后依次检查控制系统、生命保障系统、通信系统状态,如一切正常,则进入工作状态;如发现异常,则由操作人员进行故障排查。”

MBSE中的数字化模型表达:

3) 参数(对系统规格、系统性能等的定量描述)

基于文本的系统设计:

“需求A:系统总重量不能超过100kg。”

MBSE中的数字化模型表达:

4) 形容词(需要被量化)

形容词是文档中的特殊产物,在模型中不存在对应内容。

原因在于形容词是模糊描述,无法明确表达,也意味着无法准确验证。因此,理论上,在系统设计和需求规格描述中,不应该使用形容词。否则可能导致下图中的后果:

2. 为什么要做MBSE

1) 当前的挑战

在当前航空、航天、汽车等行业,对工业产品易用性、舒适性、安全性等方面要求的提高,导致当前工业产品电气化、智能化程度越来越高,产品复杂度的量级不断跃升。

基于文本的系统设计方式存在天然局限,导致其越来越难以应对当前的复杂产品设计挑战,比如:

基于自然语言描述的设计文档一致性差,沟通效率低且容易出现歧义;

自然语言容易引入形容词等模糊描述,很难保证准确性

文本描述的设计元素之间无法实现追溯分析,当出现设计变更时很难对变更影响进行准确评估

基于文本的设计方案无法进行前期仿真验证

设计方案无法与详细设计阶段的数字化模型(如CAD)关联...

而MBSE技术的出现为应对这些问题提供了有效的应对手段。

2) MBSE带来的价值

一项新技术最终的价值体现,一般有:

节省成本,省钱

提高效率,省时间

保证产品质量,提高产品竞争力

产品质量提升→产品问题减少→研发周期&运维成本降低→省钱&省时间

产品竞争力提高→销量提升→企业利润提高

基于上述几个角度,我们分别从几个系统设计活动– 需求分析&验证、系统设计、系统验证,来具体分析MBSE到底可以为企业带来哪些价值:

(红色代表文本无法实现而MBSE能够实现的功能,蓝色代表MBSE相对文本的优势功能)

3. 怎么做MBSE?示例

MBSE是系统设计工作通过数字化设计手段的实现,因此在工作流程上与传统系统工程并无太大差异,仍然分为需求分析、系统设计、系统验证、需求确认四个步骤。

具体实现方式案例如下:

1) 需求分析

实现需求条目化分类,并对特殊需求(性能需求)进行量化描述:

需求类型示例

需求量化描述

2) 系统设计

依照特定的系统设计逻辑方法,完成系统功能、结构设计,以及参数化表征,并将设计内容与需求进行关联,确保追溯关系完整。

系统设计

系统设计与需求的关联追溯

3) 系统验证

基于数字化系统设计模型进行系统仿真,根据设计需求进行系统验证工作

系统模型仿真验证

4) 需求确认

将设计参数值与量化的需求约束进行验证

需求确认

4. 掌握MBSE需要学习哪些内容

MBSE的三大支撑:方法论、系统设计语言、系统建模工具。

1) MBSE方法论

MBSE方法论是设计师进行系统设计活动的指南,不同行业、不同产品在实际产品研发方面都有其特殊的地方,因此在方法论方面会有不同的选择。

以下提供了当前MBSE方法论方面能够查找到的部分公开资料,可作为企业在实践MBSE项目时的参考。

企业在实际项目中选择哪一种方法论、对方法论做哪些特定的裁剪,需要基于企业当前研发流程的实际需求来分析和确定,而不能直接照搬某个“理论模型”。

关于MBSE方法论,2008年有相关研究汇总了当时的相关理论 - "Survey of Model-BasedSystems Engineering (MBSE) Methodologies", 报告中涵盖了以下6类不同的MBSE方法论:

INCOSE Object-Oriented SystemsEngineering Method (OOSEM)

IBM Rational Telelogic Harmony-SE

IBM Rational Unified Process for Systems Engineering (RUP-SE)

Vitech Model-Based Systems Engineering (MBSE) Methodology

JPL State Analysis (SA) Methodology | JPL State Analysis (SA)

Dori Object-Process Methodology (OPM)

在此之后,作为补充,http://www.omgwiki.org/MBSE中的“Methodology and Metrics”文章里又增加了几类MBSE方法论的介绍,包含:

Weilkiens Systems Modeling Process (SYSMOD)

Fernandez Process Pipelines in OO Architectures (PPOOA)

An Ontology for State Analysis: Formalizing the Mapping to SysML

ISO-15288, OOSEM and Model-Based Submarine Design

Alstom ASAP Methodology

Pattern-Based Systems Engineering (PBSE)

Arcadia, a model-basedengineering method

以上这些仅仅为MBSE方法论的部分内容,在此之外,仍有一些公司或研究者针对特定应用场景提出了自己的方法论。比如,当前在国内工程界应用广泛的MagicDraw工具,其母公司NoMagic(现被达索析统公司收购)也独立提出自己的MagicGrid方法论。

2) 系统设计语言

系统设计语言是描述系统设计的标准"语法",当前MBSE领域主流的系统设计语言是OMG维护和发布的SysML – System Modeling Language,该语言基于UML发展而来,并专门针对系统设计领域特点进行了扩展。

(SysML虽为主流MBSE建模语言,但仍有部分软件工具通过非SysML语言进行模型描述,此处不做展开。)

SysML是一种图形化设计语言,共包含9类图,如下所示:

9类图分别用来描述系统设计过程中的需求、系统结构、系统行为和系统参数:

3) 系统建模工具

目前国内工程领域主要的MBSE工具为NoMagic(达索) MagicDraw和IBM Rhapsody,其他如Sparx Systems的Enterprise Architecture, 达索CATIA RFLP, Siemens PLM, ANSYS Scade等也有部分应用。

更多MBSE建模工具可参考:

https://mbse4u.com/sysml-tools

https://mbseworks.com/mbse-tools

MBSE建模工具的选择需要考虑因素过多,需要根据不同企业具体情况具体分析,此处不做过多展开。

   
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