挑战

随着技术的进步，工程系统间交联越来越多，体系级系统更加普遍，体量更加庞杂，专业子系统的复杂度也呈指数级增加。传统的研制方式，在系统级设计还是以文档，画图为主，没有统一的系统级模型，缺乏有效的设计、分析和验证手段。

国际系统工程学会（INCOSE）提出“基于模型的系统工程”（MBSE）概念。定义MBSE为：“使用建模方法支持系统的需求定义、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从系统概念设计阶段开始，持续贯穿到系统开发以及整个产品生命周期阶段。”

在进行MBSE实践过程中，虽然在系统设计时引入了基于SysML的系统模型，解决了系统设计表达和逻辑验证问题，然而针对复杂工程系统的研发，会涉及到多专业学科，在机械、结构、电气、电子、液压、控制、软件等专业设计阶段已经积累的比较成熟的模型，面临如何在MBSE中应用的困扰。

在下文的案例中，重点展示如何实现以系统模型为核心，对不同专业学科模型的调度和联合仿真，解决跨工具、跨领域、跨尺度的集成仿真问题，推动MBSE的进一步落地应用。

MBSE应用案例

下文以“伺服液压系统”为例，展示MBSE在系统设计中的应用。该系统用于接收远程电子单元的控制指令，控制飞机方向舵的舵面偏转，由传感器、传动机构及一系列阀组成。在该案例中，针对伺服液压系统从问题域、方案域和实现域三个角度进行分析，实现了系统的需求分析、架构设计和仿真验证过程。

1）问题域

问题域定义的目的是用来分析和细化利益攸关者需要，通过SysML模型元素进行系统表达，针对系统要解决的问题得到一个清晰且一致的描述。

用例可以反映利益攸关者所重视的内容，并解决他们关切的问题。其中，伺服液压系统的主要应用场景为：在通电通压的情况下，接收REU的控制指令，实现对方向舵的控制，同时将系统运行状态实时反馈到飞控系统。因此，用例可划分为1个主用例（控制舵面）和2个子用例（控制偏转、检测状态）。

然后针对“控制舵面”用例，可通过带泳道的活动图对应用场景做进一步细化描述，可细化外部系统与伺服液压系统的具体接口信息和交互逻辑，梳理系统的运行分析过程，和明确系统所承担的具体功能。

2）方案域

此阶段的焦点定位于系统的解决方案，既包含系统功能、接口等的清晰描述，也包括在满足所有系统功能的基础上开发一个系统架构。

通过状态图可分析系统在其生命周期内的完整动态行为，包括定义系统的状态模型、激励模型（如外部信号，变更事件）、行为模型、UI模型。然后，执行状态机来检验所构建的模型是否符合利益攸关者期望，进而在产品研制的早期及时发现需求偏差与缺失。

使用内部块图描述系统工作原理，将系统拆分成子系统，明确子系统间的接口。伺服液压系统物理层可被分解为电磁阀、电液伺服阀、模态选择阀、压力传感器等，根据指令类型，通过各种阀对进回油及油压的控制，实现活塞的伸出和收回，从而实现方向舵偏转。

3）实现域

• 构建多学科模型

在民机飞控系统中，每架飞机方向舵舵面配备3台方向舵作动器，每台作动器配备一个REU伺服控制模块，3套伺服系统工作原理完全相同，以提供必须的系统余度，保证飞行可靠性和安全性。

该方向舵作动器具有两个工作模态：

主动模态：电液伺服阀接收REU控制输入电流指令分配负载流量，从而对作动筒的位置和速度来进行控制。主动模式要求电磁阀上电并要求液压系统压力高于一定的门限。

阻尼模态：在阻尼模态下，由于液压系统压力或REU指令信号的丧失，单线圈常闭电磁阀处于关闭状态，此时模态转换阀将处于阻尼工作位置。当模态转换阀处于阻尼工作位置时，模态转化阀将作动筒与伺服阀油液控制隔离。

根据方向舵作动器系统工作原理图，建立AMESim液压系统模型。

建立REU伺服控制模块的Simulink模型，描述作动器位置闭环控制的PID调节。

• 贯通逻辑模型和物理模型
  
  

构建仿真场景，实现将逻辑模型与物理模型的联通。仿真场景图的作用体现如下：

Ø  导入伺服液压系统状态机模型；

Ø  导入通过modelbus绑定的多学科模型（AMESim液压系统模型和REU伺服控制模块Simulink模型）；

Ø  导入用于展现人机交互的UI模型；

Ø  通过连线关联，实现逻辑模型与物理模型的参数绑定。

各模型之间的联合仿真接口数据交互关系主要为：状态机提供伺服指令和锁信号给模型总线，收到模型总线返回的活塞位移和液压压力指标。

• 包含离散信号和连续参数的联合仿真

  
  

在联合仿真过程中，首先通过UI模型提供外部激励给状态机模型（通电、开锁），实现系统状态跳转及信号发送。

同时，AMESim液压系统模型中的电磁阀接收状态机指令（对应解锁信号为0或1）控制模态选择阀换向，伺服阀控制方向舵作动器按REU给定的PID控制指令动作。在此过程中，液压系统模型上传到模型总线的数据为作动器位移和液压系统压力，从模型总线接收的数据为伺服阀的PID控制信号和电磁阀的锁信号。

状态机发出伸出、收回的指令信号（对应控制信号为0或1），由作动器输出的位移通过负反馈由PID控制作动器按指定位移100mm伸出、收回。在此过程中，Simulink控制系统模型上传到模型总线的数据为PID参数，从模型总线接收的参数为作动器位移和作动器伸出、收回的指令信号。

价值

•  通过问题域、方案域和实现域的逐层分析，形成了一套规范、可实施的设计方法；
• 在仿真时除了应用状态机中的离散信号外，引入了机、电、液、控、软等多学科模型，使仿真更贴近于实际；
• 实现了需求工程到仿真工程的局部贯通，数据贯通、工具贯通、业务贯通，促进MBSE进一步落地应用。

—END —‍

本文所使用软件

以上案例中的模型均是由北京索为公司的两款MBSE工具完成。

• 系统建模仿真软件Modelook

复杂工程系统建模仿真软件（Modelook）是基于国外先进的模型驱动工程（MDE）和和基于模型的系统工程（MBSE）理论、方法和实践成果的基础上，自主研发的面向系统级用户的MBSE解决方案产品。Modelook定位于为复杂工程系统（例如武器装备中的电子信息系统、控制系统、体系级指控系统等）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。

• 模型总线软件Modelbus

模型总线（Model Bus）是一款完全自主研发、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。

文章来源 杉石科技