行业案例 | MBSE解决方案（一）：面向装备系统论证和方案阶段研制的协同设计和验证平台

武器装备系统研制是涉及多学科的复杂系统工程，涵盖体系、总体、结构、电子信息、辅助系统等多个领域。系统研制面临的技术难度和管理难度都在不断加大，采用传统的基于文档的系统工程研制模式面临严峻的挑战。

以文档为中心是目前产品研制系统工程的主要方式。所谓以文档为中心，一方面是指设计过程中各阶段的设计成果以文档形式呈现并在各阶段之间传递，另一方面也表示该方法中各阶段的信息加工处理以手工方式为主，缺乏必要的计算机辅助设计和验证手段。随着系统的规模和复杂程度的不断提高，传统的基于文档的系统工程必将产生越来越多的各种不同的文档，信息的查找、理解及更改都困难重重。通过在产品研制过程中引入基于模型的系统工程理念，在方法论的指导下，借鉴各行业系统工程应用最佳实践，使用先进的系统工程工具，配合一定的管理手段，能够在一定程度上解决装备系统研制面临的严峻问题。

为了应对复杂装备系统研制的挑战，需要构建新一代复杂系统建模工作环境，形成一个涵盖复杂系统建模、仿真和与系统全生命周期管理集成的解决方案。采用MBSE方法进行系统研制，在设计阶段早期，应用建模和仿真手段实现需求的早期验证，保证设计过程的正确性。MBSE持续贯穿整个武器系统的生命周期过程，开展体系建模、系统建模、专业领域建模，实现系统整个设计过程的模型化表达，并采用模型仿真手段，提升需求分析和验证能力，降低型号验证风险。

图 1 基于模型的装备系统研制流程

建设面向装备系统论证和方案阶段研制的协同设计和验证平台，涵盖体系工程、系统工程与设计工程三个层级，贯穿武器系统生命周期过程，打破国外技术封锁并追赶世界先进水平，满足型号研制急需。通过打造协同设计和验证平台，主要实现“型号管理、需求定义、体系建模、系统建模、接口建模、仿真验证、文档生成、模型管理和追溯”等功能模块，打通MBSE工具间的数据接口，给设计人员提供集成的专业软件，形成统一的设计平台，采用基于模型的方法论以支撑在新技术条件下的市场竞争需求。

面向装备系统论证和方案阶段研制的协同设计和验证平台是基于装备系统研发工作流程，利用信息化手段，将流程、方法、工具等进行集成，建成以设计、验证流程运行环境为核心，全面覆盖技术管理、项目管理，为研发技术和技术管理活动提供数据交互手段，对研发活动和数据进行管理的信息化系统。可以支撑系统设计研发过程，可以支撑基于V模型的体系/系统/设备级设计和验证过程，采用基于模型的开发技术构建研发环境和流程。可以实现对设计过程的流程及过程数据统一管理，实现可驱动研发流程，并对其状态的全面展示。可以对设计过程的全部模型数据进行统一管理，实现技术状态数据的完整视图。

面向装备系统论证和方案阶段研制的协同设计和验证平台涵盖了体系工程、系统工程与设计工程三个层面，贯穿武器系统（体系）生命周期过程。主要由以下几个子系统组成：

该平台涉及体系架构设计、需求管理、系统需求分析和架构设计、物理接口设计、功能逻辑仿真验证、多学科联合仿真等功能模块。

图 3 索为/杉石MBSE自主工具链

围绕武器装备（对空防御导弹系统）作为典型案例，应用协同设计和验证平台中的几个核心工具开展了MBSE应用，形成系列化的文章。主要包含以下内容：

体系架构设计工具支持DoDAF建模标准，支持结构建模、行为建模、流程建模和数据建模。基于DoDAF的体系结构建模方法，支持模型化的装备体系分析方法，形成信息化条件下基于模型的任务和体系架构分析方法，既能动态地整体论证武器装备体系建设问题，又能反映武器装备体系论证的层次性，全面构建任务和体系架构建模能力。

图 4 体系架构设计工具功能架构

需求管理工具定位于对各类需求实现条目化管理，对需求条目版本进行管理、对需求变更进行控制、对需求追踪关系进行维护、对需求条目进行在线讨论、对需求基线进行管理以及支持自动生成需求文档等。通过条目化的方式对纯粹的需求点进行管理。需求条目可以从用户单位的其它需求管理工具中导入，也可以通过人工在需求条目树中建立。支持维护需求条目的状态，建立需求跟踪矩阵，实现各需求条目之间的可追踪性，辅助进行变更影响分析。

图 5 需求管理工具功能架构

系统需求分析和架构设计工具定位于为复杂工程系统（例如武器装备中的电子信息系统、指挥控制系统等）的系统级研发提供基于模型的建模仿真解决方案，用户可以在系统设计阶段基于SysML模型进行需求分析、架构设计、仿真分析，改变原有的基于文档的设计范式，有效的提高系统研发效率。

图 6 系统需求分析和架构设计工具功能架构

系统接口设计工具是面向复杂工程系统研发用户的企业级的接口数据设计、分析和管理工具。支持“树+图+表”+“模型库”的设计方法管理系统架构及接口数据，从而提升ICD设计效率。并且具有开放的数据接口，可基于模型生成文档和各类数据文件。采用R-N关联模型技术，可实现ICD数据信号从产生到最终应用的全历程追溯，显著提高影响性分析和排故效率。基于模型库的向导式设计，降低了设计师的专业门槛，并提高了ICD的设计质量。

图 7 系统接口设计工具功能架构

模型总线工具是支撑跨学科、跨领域复杂系统模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信协议和FMI协议为基础，通过C/S架构实现了多客户端系统仿真软件分布式集成，适用于大规模复杂异构系统的多仿真工具统一调度与并行求解。有效地解决了不同仿真工具（含商业和自研）之间的连接接口问題，操作便捷，能显著提高仿真效率。

图 8 模型总线工具工作原理

统一系统模型管理工具实现以MBSE实际业务范畴为基础，管理MBSE业务产生过程中的各类模型数据的有效权威版本，将模型数据进行体系化的组织与管理，并有效管理各类模型数据的关联关系，满足数据的应用。统一系统对象模型系统具备如下能力：实现需求数据、体系设计数据、系统设计数据、接口设计数据等系统工程设计数据的统一集中管理;实现统一系统对象模型系统与数据的产生系统/工具的贯通，满足数据提交/解析的能力;实现需求数据、体系设计数据、系统设计数据、接口设计数据等系统工程设计数据的版本、权限管理，支持数据的变更管理;基于所管理的各类系统工程设计数据，提供数据关系维护和展示的能力，方便追溯数据间的关系，支持变更影响分析。