技术交流 | MBSE技术及其在航天产品领域的应用建议

我国航天工业经过近几十年的发展，逐步形成了一套独具特色的航天器系统工程研制模式，有力地支撑了航天器研制任务的圆满完成。随着航天技术的快速发展，航天器系统复杂度显著提升，各专业耦合性越来越强，传统的基于文档的系统工程越来越难以满足后续复杂航天任务的研制需求，采用基于模型的系统工程（Model-Based System Engineering, MBSE）理论和方法在国外已经用于复杂工程系统开发，典型的有猎户座任务、木卫二轨道器任务、火灾星、毅力号等。国内对MBSE方法的研究起步较晚，在航天领域，随着对MBSE方法的不断探索和实践，正逐渐被用户和各级承研单位所接受，普遍认为是科研生产模式转型升级和手段方法改进的重要抓手，航天科技集团公司第八次工作会指出，“基于模型和数据驱动的科研生产数字化体系亟待构建”。吴董事长在《全面实施数字航天战略为航天强国建设提供坚强支撑》一文中，要求采用基于模型的系统工程方法，完善航天型号产品数字化协同研制环境，强化虚拟设计与仿真验证应用。

国外自20世纪70年代以来，在数字化先进设计制造应用方面，经历了从点(数字化单技术应用)到线(型号总体设计全过程数字化)到面(数字化企业)的发展，有力地推动了世界经济和相关技术的发展，当前在系统研制过程中，数字化技术与模型化技术的应用理念已经从设计、仿真等单一领域拓展到了工程研制全生命周期。

传统的系统工程都是基于文档的，很容易产生理解的不一致性，在产品设计过程中经常出现反复迭代修改等情况。虽然近年来，已从过去的纸质形式转换为电子形式，但并未从根本上改变这一状况。

基于模型的系统工程则通过模型贯穿产品总体设计始终，它从需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代递增而实现产品的系统设计，通过模型的结构化定义可以清晰地表达产品设计初期结构、功能与行为等各方面的需求，在设计初期就能通过仿真来发现大量不合理的设计方案。同时，由于模型的唯一性，还为各方提供了一个统一的、无二义性的设计信息交流工具。MBSE已成为近几年来系统工程界研究和应用的热点。

最早提出MBSE概念的INCOSE给出了如下定义：

“基于模型的系统工程是通过形式化的建模手段，从概念设计阶段开始就能够支持系统需求、设计、分析、验证和确认等活动，并持续贯穿整个开发过程和后续的生命周期阶段”。

在INCOSE发布的2020年远景规划中，MBSE成为系统工程未来发展的重要方向，如图2所示。根据规划，MBSE主要经过三个阶段，2010实现MBSE的标准化，2010-2020是MBSE理论体系走向成熟化阶段，在系统的架构模型中集成分析、仿真、可视化，并定义出完善的MBSE理论体系，到2025年，在各个领域应用MBSE方法。

为了支持MBSE，国际系统工程学会（INCOSE）和对象管理组织（OMG）提出了一种新的系统建模语言（Systems Modeling Language，SysML）。

MBSE是系统工程发展的大趋势。国际系统工程学会综合最近20年来各方面提出的基于模型的技术，提出了MBSE的概念及框架，并加以推广应用。INCOSE在2007年发布的《系统工程2020年愿景》指出：从很多方面看，系统工程的未来可以说是“基于模型的”，该《愿景》也规划了MBSE未来20年的发展路线图。MBSE不是建模仿真，MBSE从工程系统初期就开始进行并一直持续到后续阶段，是工程系统全生命周期的工作。MBSE中的模型主要是指系统模型，是系统层面的描述性的模型，概念理解上应当与专业的分析模型区别开来。同时，MBSE也不仅仅是信息化，现有的产品数据管理等信息化工具仅仅是对人头脑中思考的东西、设计结果的一个记录，从过去的纸笔画图到现在的电子化、信息化、网络化、集成化，而MBSE是研制流程的再造和优化，而不仅仅是信息化工具的应用。

通过MBSE的定义可以得出， MBSE的核心思想是以模型的方式，通过对跨学科的专业知识统一表示来控制复杂系统的研发过程，强调的是系统工程过程中信息传递的模型化。与传统的基于文档的系统工程的区别如表所示：

MBSE有广义和狭义之分，广义的MBSE覆盖产品设计、生产、装配、测试、试验、维护、报废等全生命周期阶段，而狭义的MBSE仅指产品的方案设计阶段。

需要指出的是，MBSE并不是要颠覆现有的系统工程体系，而是在原有的基于文档的基础上，通过统一建模语言对文件中隐含的设计要素进行显性化的关联建模，通过模型的不断迭代、演化，最终形成一个具有和实物产品完全一致且经过虚拟试验仿真验证的整个航天器数字样机，避免因后期总装和测试试验不满足而导致设计更改的问题，确保航天器研制“一次成功”。

近年来，在航天领域开展了MBSE应用实践，初期重点围绕MBSE语言工具培训、型号试点应用、建模方法研究等方面开展工作，在过程中统一理解和认知；在广泛调研与理论探索的过程中不断与现有流程相印证，梳理、总结、提炼出了基于模型的航天器系统设计与验证过程及MBSE初步工作指南；将MBSE正向设计流程逐步引入型号研制中，在典型应用实践中不断完善航天领域的MBSE方法，为后续的推广应用打下了基础。

以载人月球探测飞行器研制为例，由于系统复杂度高，为提高研制与管理水平，正在推行MBSE方法在型号研制全周期的应用，探索制定数字化研制工作规范，推进数字化手段与工程现有研制流程的有机融合。目前初步开展了基于模型的需求分析、系统设计与仿真验证工作。需求建模方面，实现了多级需求的分解和追溯关系的建立；系统设计方面完成了基于模型的功能、架构分解和飞行方案设计，并开展了基于模型的设计评审；系统级仿真验证方面，正在开展基于Modelica语言的多学科建模和多专业耦合仿真验证工作，目标是在方案阶段完成基于MBSE的数字化设计闭环仿真验证。

在深空、遥感、通信等领域不同航天器研制过程中均开展了MBSE实践。实践证明，MBSE在航天领域的发展趋势是明确的，但初期由于建模工作量大、周期长，应用效果不容易体现，导致推广过程中不可避免的会存在一些质疑与异议。例如：

（1）语言过于抽象，工程人员学习和理解困难，未掌握前反而影响设计效率；

（2）工具难掌握，模型资源匮乏，设计缺少基础库的支撑导致设计效率低、模型质量差；

（3）方法普适性强，但专业性不足，缺少针对行业领域特点本地化的方法论。

为了进一步促进MBSE在航天领域的应用推广，需要迫切解决在研制管理流程、队伍组织、方法论、工具和模型库等多个方面存在的问题。

（1）设计与建模人员必须统一，业务与信息化有效融合

一方面，型号设计师团队必须掌握MBSE方法、语言和工具，伴随型号研制实际进展开展建模工作，避免设计与建模“两班人马”，型号研制与MBSE应用“两张皮”。另一方面，业务人员与信息化人员应紧密融合，发挥各自专长，信息化人员侧重标准规范、工具软件、基础模型库的建设工作，共同促进MBSE真正在型号研制中落地。

（2）总体与分系统协同论证，建模方法论因地制宜

为保障总体的集成设计与验证工作有序开展，需要各分系统共同开展MBSE建模工作，总体与分系统的技术状态管理应该一致推进，在总体与分系统协同设计与建模过程中，要对设计流程进行针对性的设计和区分。在总体层面，侧重多专业的协同和设计权衡；在分系统层面，侧重变更管理和快速方案的设计迭代。

（3）MBSE与MBD打通，虚实验证完整闭环

在未来基于模型的数字化研制体系下，在每个阶段都要进行相应的仿真迭代，充分验证，然后再向下一个环节推进，将问题提前暴露和解决，模型相互关联，逐步细化完善，最终形成型号模型库，形成可复用的知识。模型的贯通能力至关重要，包括系统设计模型（SysML语言）与系统验证模型（Modelica语言）的打通、系统设计模型与CAD模型的打通、系统设计模型与CAE专业仿真模型的指标验证打通、系统设计模型与CAM实做模型的打通，以及各模型间数据的同源贯通，从而形成一个以模型为牵引的数字主线，让工程数据都有源可依，设计变更都有据可查，虚实测试都能闭环验证。

（4）模型库统一规划建设，知识经验充分复用

由总体单位牵头统一规划和建设基础共用的模型库，对航天领域标准和规范进行模型化呈现，包括：基础模型库（接口、量纲、信息流、物质等基础元素）、飞行时序库、任务场景分析库和约束规则库的建设等。总体和分系统研制人员基于这些共性的基础模型库来进行MBSE模型的构建，从根本上保证设计术语的统一。

（5）培育自主可控生态，掌握核心发展竞争力

MBSE工具软件在工业软件领域属于新兴板块，目前国内具备一些功能完善的MBSE建模工具。立足长远，从工具语言的原生适用性、安全性和自主定制的可控性等方面，自主软件都有着超越国外软件的优势。建议在MBSE系统建模与仿真领域，结合行业应用，在使用国际主流工具的同时，支持和培育国产自主可控工具生态，加强自主工具的应用验证和型号应用，通过工具固化工程知识经验。