以飞机为例的MBSE系统架构入门系列(2)

关键词：MDAO系统、MBSE、复杂产品

MDAO= Multidisciplinary Design Analysis Optimization (or MDO)：多学科设计分析优化

多学科分析与优化(MDAO)

多学科分析与优化(MDAO)是一种通过明确考虑学科之间重要的相互作用和协同作用来实现对完整系统分析和优化的方法。这就产生了优于传统方法的设计。

MDAO成为可能，必须考虑以下几方面内容：

• 创建包含不同学科的分析工具和过程的自动化工作流。
• 重复执行这些工作流，以快速探索和量化许多不同设计方案的性能、成本和风险。
• 执行敏感性分析以找到最重要的变量，可视化和探索设计空间以理解关键关系和趋势，问“如果……会怎样?”的问题，并做出更好的决定。
• 运行优化算法以找到最佳设计，并执行概率分析以评估其设计的鲁棒性和可靠性。
• 与使用传统方法获得的设计相比，这种设计更具创新性，具有更高的性能和更低的成本。

背景介绍

复杂航空系统的开发必须考虑整个航空运输系统、飞机以及所有要集成的单个部件和技术的要求和限制。然而，外包的持续趋势，加上技术责任日益向高层供应商转移，显然带来了组织、整合和沟通方面的挑战。

理想情况下，在开发的每一个阶段做出的每一个决定都应该在开发中的产品的整个生命周期内进行评估，并且针对每个相关的利益相关者。然而，随着要设计的系统变得越来越复杂，决策过程的复杂性大大增加，在开发阶段选择设计方案变得更加困难。当前航空供应链所基于的各种横向和纵向水平的不良整合是一个重大挑战，阻碍了高效和具有成本效益的发展进程的实现。

为了克服开发新型航空航天系统的挑战，一个关键的特点是能够在复杂的情况下做出正确的决策，并且比以往任何时候都要快。然而，识别、生成和评估新的设计解决方案是一项多学科的工作，需要敏捷性，而这一点目前还不具备。

因此，开发复杂性的管理需要采用新的复杂系统开发范式，并向新型设计系统的开发转变。这种设想的下一代设计系统将需要利用数字设计工程原理，通过生产系统和供应链的数字表示，以及跨不同学科和贯穿产品整个生命周期的无缝操作，无缝连接协作、跨国和跨组织开发过程中涉及的技术、技能和人员。

敏捷范式

研究和创新敏捷项目开发了一种方法，即所谓的敏捷范式，重点是加速协作MDAO系统的部署和运行，反过来可以加速复杂产品的开发，如新型航空航天系统。相对于传统的MDAO方法，人们已经证明为实现范例而开发的技术可以将部署和操作时间减少40%以上，但是在数字设计工程实践中，还没有将敏捷范例加以正式化和模型化处理。

这项工作介绍了一种新颖的方法，利用MBSE原则简化敏捷MDAO设计系统的开发，并在MBSE和MDAO之间架起了一座桥梁。这里介绍的主要成果是MBSE驱动的所谓敏捷MDAO系统的模型，代表了MDAO系统的架构、需求、组织方面以及在生命周期阶段实施的所有交互和活动。MBSE架构框架，定义了驱动敏捷MDAO系统模型开发的基本本体论概念和观点，也被建模和呈现。

敏捷范式-MDAO系统的总体结构

当前一代MDAO系统的主要障碍在很大程度上与建立复杂协作框架所需的努力有关。据Ciampa等人的研究结果表明，可能60%~80%的项目时间来设置这样的过程。欧盟委员会资助了一个敏捷项目，于2018年结束，开发了一种名为敏捷范式的新方法，以简化协作MDAO系统的设置、部署和操作。敏捷范式的核心是加速MDAO系统的部署和操作，反过来可以有效地利用这一点来加速复杂产品(例如新型飞机)的开发。为实现这种方法而开发的技术已经在多个协同飞机设计和优化应用中得到证明，与传统的MDAO方法相比，设置时间缩短了40%以上。

然而，尽管个别技术已经以开源的方式发布，但敏捷范式还没有通过利用数字设计工程实践进行形式化和建模。在支持数字化设计工程转型的使能器中，基于模型的系统工程(MBSE)在过去十年中越来越受欢迎。一些航空、汽车和国防部门已经开始向MBSE方法过渡。MBSE实践者提倡多重好处，如管理复杂性，确保一致性和完整性，改善沟通。因此，在产品开发环境中，基于模型的系统工程和多学科设计分析优化都旨在支持复杂系统(如飞机产品)的开发。

敏捷框架----------实现和支持MDAO工作流的设置和执行的技术

开发复杂系统面临的挑战

1. 复杂性增长产生的挑战

工程产品复杂性的一个常见度量是由组成系统的部件数量，以及实现系统功能所需的软件源代码的数量来表示的。自1960年以来，汽车、集成电路和航空航天器的复杂性急剧增加，但是航空航天器的设计、集成和测试的总时间也随着复杂性的增加而增加，与其他行业的趋势相反。纵观航天飞行器复杂性的增长，我们可以观察到不断增加的SLOC。过去几十年飞机驾驶舱的发展就是一个例子，软件已经取代了航空电子系统的模拟元件，向着全玻璃座舱设计发展。虽然更干净的设计可能意味着简化(从操作角度来说确实如此)，但它也只是阻碍了每一代产品所增加的功能和自动化。

2. 集成和组织方面产生的挑战

当特定领域的设计（例如学科分析）是由分布在不同组织和不同国家的专家团队提供的，集成产生的挑战就更大。此外，开发复杂系统的组织结构往往是根据工程纪律（例如飞机制造商内部的载荷部门）和功能（例如市场营销、设计、制造）形成的，但它可能受到各种组织单位或合作伙伴所拥有的工作份额的影响，增加了额外的边界和接口。

3. 沟通和社会技术方面的挑战

从前面的考虑来看，可以清楚地看出，复杂系统的协作开发需要在整个生命周期中进行高效和有效的信息交换。特别是在人和工具之间，这种交换是正确和有意义的。在飞机开发过程中，由于对约束和需求的不同解释，跨职能团队之间很容易出现冲突，导致混乱和缺乏理解。因此，需要在多个层次上保证对信息的一致交换和解释。在某种程度上，工程师、客户、运营商和供应商的心理形象必须保持一致。在另一个层面上，在开发过程中部署的异构“设计生态系统”之间的互操作性需要由所有相关方来保证。在一个系统被开发出来之后，也可能会出现对互操作性的需求，例如在体系场景中。

用于复杂系统开发的框架

现代复杂系统的开发需要考虑到越来越多的交付能力、组织边界、集成和通信方面的挑战，以及来自产品生命周期的所有阶段的限制。此外，正在开发的系统可能需要在系统的系统场景中运行，从而产生互操作性要求。

理想情况下，在开发的每个阶段所做出的每一个决定都应该沿着整个生命周期进行评估。对“开发复杂性”的管理需要为复杂的系统转向一种新的开发范式。

最近，多个航空航天组织宣布了利用数字技术使能者的举措，目的是简化复杂航空航天产品的开发。一个例子是空客在2019年初推出的DDMS（Digital Design Manufacturing and Services：数字设计制造和服务）项目，该项目的建模技术和系统工程方法是下一个产品开发的核心。

基于模型的概念框架：将上游系统架构开发阶段与下游产品优化阶段（即MDAO）连接起来

本期引申阅读：OpenMDAO

OpenMDAO是下一代多学科设计分析与优化(MDAO)开源框架的初始版本。OpenMDAO是NASA开发的开源框架，可通过一个开源网站访问，以覆盖整个广泛的MDAO社区，以促进MDAO科学的发展。MDAO涵盖了大量的功能，包括一个灵活的框架和最新的规程代码。这种创新特别涉及到框架。

OpenMDAO提供了核心软件基础设施来集成多学科可变保真度工具，并支持复杂系统的设计、分析和优化。目前，OpenMDAO的功能包括组件链接、数据传递、驱动程序接口和延迟计算。在用户集成了特定的组件代码后，这个框架的初始基本功能足以让他们运行和优化分析。

随着OpenMDAO的发展，该框架将包括以下功能:进程间通信、错误处理、用户界面、几何应用程序程序接口(api)、插件接口、包装工具的实用程序、版本控制和并行处理支持。需要明确的是，该框架将支持以下方面的集成，但不包括:优化器、求解器、可视化工具、自定义数据类型、脚本组件和规程代码。

航空航天:为了应对当前和未来航空运输面临的经济和环境挑战，航空设计必须将重点从今天的传统“翼体尾”飞机扩展到更先进的飞行器。设计革命性的飞机以提高机动性和航空运输效率的能力对国家经济至关重要，同时减少我们的环境影响和支持国防。这里所披露的技术包含了越来越复杂的计算模型和方法，使未来的飞机设计成为可能。

文章来源MBSE知识库与应用案例