基于模型的系统工程（MBSE）应用于飞机概念设计探讨

罗 松，魏榕祥，林资平，沈 亮，吕 婧

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

基于模型的系统工程（MBSE）应用于飞机概念设计探讨

罗 松，魏榕祥，林资平，沈 亮，吕 婧

（航空工业洪都，江西 南昌 330024）

通过分析目前飞机概念设计中存在的问题和设计需求，引入基于模型的系统工程（MBSE），并根据归纳MBSE的流程、实现方法和应用特点，分析了MBSE解决飞机概念设计问题的技术可行性，并指出了MBSE的发展趋势及其应用在技术、管理和思想等方面的诸多挑战。

基于模型的系统工程；飞机概念设计；设计问题；应用分析

0 引言

概念设计是飞机设计的初始阶段，该过程涉及气动、结构、电子、控制等众多学科，同时包含大量的设计变量、状态变量和关联约束，是一个需反复迭代、高度综合的创造过程。该过程占用约8%的研制时间和不到10%的成本投入，但其做出的具有全局性影响的重大决策，却确定了飞机约80%的全寿命成本。然而，当前飞机设计师利用目前依据经验、文档的传统设计方法，设计现代高度复杂的飞机系统显得力不从心。美国AIAA将传统飞机概念设计的问题概况为：概念设计的综合程度低，不能充分利用概念设计阶段的自由度来提高设计整体水平，也不能集成多学科实现最优化，更不能达到新增需求情况下的平衡设计。如何用更好的方法开展概念设计始终是飞机设计师关注的重要课题。

1 当前概念设计需求分析

1.1 存在的问题

飞机研制存在的普遍现象是降性能、拖进度、涨费用，即使飞机按设计要求交付了，用户在使用时也不满意。这些都同飞机设计过程中，特别是飞机概念设计的因素密切相关，主要表现为概念设计中需求不明确、设计协调差和综合水平低等方面：

1)重方案，轻需求

我国航空工业起步晚，走过了仿制、引进、再创新的发展道路，当前对飞机的整个使用定义和使用需求的研究不够，还没有建立完整的正向设计能力；

2)设计协调性差

对需求、约束和矛盾的梳理不够清晰、系统，缺乏清晰、系统的总体概念方案等顶层设计，导致方案设计推进中常常顾此失彼，反复频繁，研发周期漫长且不可控；

3)综合水平低

对飞机复杂设计的综合优化程度低，“拍脑袋”决策多，设计水平或质量不高；概念设计过程缺乏验证，难以保证方案总体上满足设计要求。

同时，设计方案、数据以文字或图片形式散落在数以千计的各类文档中，设计师很难直观、完整地把握，在查找与理解、变更与追溯、知识复用、状态控制及评审决策等方面存在障碍。

1.2 概念设计的需求

为保证飞机整个设计的有效性、高效性和系统性，对概念设计提出了以下要求：

1)应对复杂性

飞机设计各专业设计参数数量大、相互间交互性复杂，且多学科专业之间参数交互性更为复杂，特别需要一种方法论及工具去直观描述复杂系统特征，使在整个设计过程中，各参数统一协调，直观地关联，以减少繁复工作。

2)应对需求多变

由于任务系统的动态复杂性、现代科学技术日新月异，在飞机长达数十年的研发周期里需求变更问题异常突出，因此需要飞机设计方法能及时响应并有效应对其需求变化，使得变更的影响清晰明了且相应设计方案具有足够的适应性。

3)应对数据庞杂

要有效提高设计效率，高效组织并展现设计过程中的庞杂数据则非常关键。比如多学科、多专业的设计协同需要数据的一致性，设计的复用和迭代需确保数据的可追溯性等。

2 解决方法—基于模型的系统工程

面对飞机设计中的上述需求，作为解决复杂系统设计领域的新方法——基于模型的系统工程方法，被普遍认为是飞机概念设计进行综合设计最有效的解决方案。

2.1 MBSE及其实现

所谓基于模型的系统工程（MBSE）是指“对系统工程活动中建模方法的正式化、规范化应用，以使建模方法支持系统要求，设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有生命周期。”

系统工程在进行飞机等复杂产品的设计时，采用正向设计过程，即从飞机所处环境的“外在行为”到“内在功能”再到“物理构造”的设计过程进行展开。对应的设计过程是由需求分析、功能分析和设计综合等3个相互依赖、反复迭代和递归的环节构成，如图1。基于模型的系统工程（MBSE）即是上述设计流程中不再使用自然语言描述，而是用系统建模语言构建可运行的系统模型，对系统静态结构和动态行为等进行建模，通过构建形象化的系统模型来表达系统逻辑、描述系统功能。如图2所示，在需求分析中构建需求图、用例图，在功能分析中构建顺序图、活动图及状态图，在设计综合中构建块图、参数图等。

下面以MBSE的需求分析和设计综合等典型环节来说明这一过程。

需求分析是把用户的需求及外部环境的约束变换成系统要求。MBSE需求分析是“黑盒”分析建模过程，如图3，依据“运行使用”创建飞机用例图，根据用例图创建黑盒活动图、黑盒顺序图、黑盒状态图等模型，并对模型进行执行，以产生和完善结构化条目化的需求并确认飞机需求的正确性与完整性。

设计综合是通过功能分析和分配来构建功能架构，并根据现有的技术条件，把功能架构“映射”成物理架构，从而完成具体方案的设计。MBSE设计综合是“白盒”分析建模过程，把需求分析中获得的黑盒活动图模型，按照选定的架构打开黑盒，把飞机的各性能功能分配到系统，得到白盒活动图模型；依据白盒活动图设计得到白盒顺序图模型；根据白盒顺序图，识别系统间的交互关系和接口，建立白盒状态图模型，执行模型完成验证，进入下一个层次的迭代，直至完成整个飞机概念设计方案的定义，如图4。

2.2 MBSE应用分析

由上述过程可见，MBSE在飞机设计上同传统方法有很大差别，主要特点可概括为：

1）在需求上，以需求为主线，并将需求与描述使用运行场景的系统行为和结构等模型相关联，通过模型的多视角分析、关联矩阵等，实现了需求同使用、需求同功能以及需求同模型的关联，保证了需求能被完整地识别、分解以及同系统使用（功能）间的可追溯性；

2）在设计上，通过直观的模型图来描述系统运行的行为和状态等，并可通过系统模型的运行来验证系统功能的完整性、协调性和正确性，在一开始设计就进行验证和确认，从而避免系统设计顶层错误以及其对后续产生更大影响；

3）在方法上，基于模型的系统工程实现了需求（模型）和系统模型的关联互动，通过不断扩充和展开描述系统的模型及其分析和运行，实现了系统设计的正向、连续传递：以需求为脉络，从用例分析（任务场景分析）→功能分析→架构设计（功能的逻辑实现，系统功能实现的技术路径和框架）→物理设计（逻辑架构的物理实现），并且通过模型仿真运行来不断保证全过程需求的满足性和设计的符合性。

高水平的设计是靠方法论和流程来保证，什么样的方法和流程决定了什么样的质量和效率。基于模型的系统工程方法能从根本上解决当前国内飞机概念设计过程中的主要问题。

首先，“重方案，轻需求”问题的根源是不了解飞机使用；而系统工程的正向设计要求一开始就要考虑飞机的任务运行使用，并通过需求为主线的需求工程将需求贯彻到设计的方方面面，实现“需求驱动”的飞机设计。“设计协调性差”主要是设计顶层上不能做到系统设计的完整和协调；而MBSE实际上在数字世界里实现了使用-设计-使用的闭环，通过基于使用并描述系统功能、行为的一系列模型来“刻画”整个系统，并在使用运行环境下模型的仿真确认，来推动整个系统设计的综合优化。

基于模型的系统工程建立了赛博世界（数字模型）同现实物理世界的桥梁，并实现了复杂系统设计全过程的显性化。这在产品复杂性、需求多变性和数据庞杂性的复杂系统工程开发中，真正实现了高效、综合地运用信息、系统严谨地展开开发。研究其在飞机概念设计中的应用，对提高飞机设计的整体水平、缩短研制周期和减少研制费用都有重要意义。

3 应用MBSE的挑战

从理论及最佳实践看，MBSE是解决当前飞机概念设计中综合、协同、需求等关键问题的最佳方案，其推广应用无疑会带来飞机设计上的一次革命；但要全面建立基于MBSE型号研发新模式，在技术、管理和思想上都面临巨大的挑战。MBSE应用尚处于探索阶段，需要国内飞机设计主动融入国际主流，吸收成熟技术和方法，提升MBSE应用水平。

在技术上，MBSE推广应用需要整个航空设计行业的共同努力，比如在系统建模的语言，需要学术界研究与工业界应用形成统一的建模和分析标准，并由此建立统一接口的标准模型。这类似“苹果IOS生态”下的APP资源，能在统一的架构下扩展应用范围以增强对复杂系统的“刻画”能力。另外，系统建模语言（如SysML）迫切需要发展，以增强描述系统性能特性的能力，同时与之配套的工具也需要完善发展。

在管理上，系统描述方式从隐晦文字到直观模型的转变，使得信息的沟通和使用更为直接、清晰，信息的高效利用将使得我们的综合和协作水平前所未有的提升。比如运用需求工作包模式将使得复杂项目的组织更加开放和多元；设计过程中更多成熟技术的“固化”将使设计工作更加显性化，从而更易于管理上的量化考核；知识高效复用也将使得设计工作更加高效、简洁，从而使得研发投入更加关注其核心——用户需求以及技术创新，这些底层生产力方面的变化必将导致组织管理层面的变革。例如实施正向设计过程，会带来不同于按专业划分的人员组织，需增加专门的需求分析师、架构设计师等。

在思想上，“基于需求的设计”、“基于模型的设计”的设计理念，相对于当前我们由跟随、模仿长期积淀下来的——“一拿到工作脑袋就蹦出具体解决措施”、总体综合习惯用“辩证法”“拍脑袋”做决定等松散、粗放的工程思维存在巨大差异。或许我们无法理解：国产某商用飞机同国外某著名厂商进行航电合作时，该厂商花了数年时间来梳理某航电设备的需求，而仅这些需求（不包含解决方案）在转让给中方时要价上千万美元。这体现了底层思想的差异，而思维层面的差异会影响到我们工作的流程、方法和实施细节等方方面面。推广MBSE还需要我们去强化系统工程思想。

4 结语

从飞机研制的现实需求、技术发展、工程实践来看，传统系统工程向MBSE转变是大势所趋，也是迫切需要。MBSE不仅代表了系统工程的最新进展，也是应对复杂系统、面对不确定性设计和决策的公认解决方案。MBSE的未来，既取决于理论研究，更取决于工程领域的应用探索。在当前飞机概念设计上推广MBSE应用，在思想、管理和技术上存在较大挑战，国内目前正处在积极探索阶段。

[1]张新国译，国际系统工程协会（INCOSE），系统工程手册：系统生命周期流程和活动指南（中英文对照）[M]，北京：机械工业出版社，2013，10.

[2]张新国译，基于模型的系统工程（MBSE）方法论综述：中英文对照 [M]，北京：机械工业出版社，2014，10.

[3]王崑声，等.国外基于模型的系统工程方法研究与实践[J].中国航天,2012(11):52-57.

[4]孙煜,梁琰，马力.基于模型的系统工程与SysML应用研究 [J].信息系统工程,2012(10):114-118.

[5]毛寅轩,袁建华.基于模型系统工程方法研究与展望[J].电脑开发与应用,2014(4):71-75.

>>>作者简介

罗松，男，1983年1月出生，2003年毕业于西北工业大学，高级工程师，现从事飞机设计工作。

Study of the Application of Model based System Engineering in Aircraft Conceptual Design

Luo Song，Wei Rongxiang，Lin Ziping，Shen Liang，Lv Jing
(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

By analyzing the existing problems and design requirements of aircraft conceptual design,the model based system engineering(MBSE)is introduced to solve the problem in a suitable way.Then by concluding the process, realization method and application characteristics of the MBSE,this paper analyzes the technology feasibility of MBSE to solve the aircraft conceptual design problem and points out the development trend of MBSE and the challenges of its application in technology,management and thought.

MBSE；Aircraft conceptual cesign；Design problem；Application analysis

2017-03-29）