基于模型的系统工程方法在导弹总体设计中应用
时间：2020-10-05 14:41:46 来源：达达文档网 本文已影响 人 
胡京煜
摘要：阐述了传统导弹设计中存在的问题，将基于模型的系统工程（ MBSE）方法引入导弹设计过程，归纳了MBSE的流程及实现途径，分析了MBSE应用在导弹总体设计中的可行性，给出了MBSE在导弹设计中实现的方法。实践应用表明，基于模型的系统工程能解决传统导弹总体设计中的弊端，可大幅度提升导弹总体设计的水平。
关键词：基于模型的系统工程（ MBSE）;导弹设计;研发体系;多学科
中图分类号：TJ760.2
文献标识码：A
DOI：
10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.065
1 概述
伴随着导弹技术的飞速发展，导弹总体设计经历了从单一学科到气动、结构、电子、控制、通信等众多学科高度综合的过程。目前，各个导弹研究所主要是利用文档方式进行管理，设计的综合程度低，无法实现多学科最优化设计，如何采用更好的方法开展导弹总体设计是导弹设计师需要研究的重要课题。为了解决导弹设计的难题、提高研发效率，中国国内外的工程技术人员开展了很多相关的研究。美国航空航天局（ NASA）积极推进MBSE（ Model-Based SystemsEngineering）在飞机.导弹领域中的应用;中国国内一些单位和研究机构也已经逐步开始应用MBSE方法。
中国航天科工和科技集团大力推进MBSE在航天领域中的应用，都成立了相应的研究机构，各总体单位也相应成立了研究项目组。2010年，国家提出了加强基于信息系统的体系总体能力建设的重要战略思想后，“顶层设计”和基于系统工程的总体体系建设，成为了中国装备系统研制的主导思想。而MBSE方法是系统工程的重要组成部分，也是体系设计过程中所运用的必不可少的重要工具。
在过去10年中，基于模型的分析设计方法已经得到了普遍使用，并发展出一门新的学科。基于模型的系统工程（Model-Based Systems Engineering）与过去所说的系统工程不同，MBSE的重点围绕着中央（顶层）系统模型，要求同时捕捉系统需求和满足这些需求的设计决策。除了作为系统工程的知识库之外，还可以通过模拟系统模型来进行功能验证、性能研究和设计选择。MBSE流程重点关注的是系统功能分析，即关注如何将功能要求转换为一致的系统操作描述，然后通过操作系统来进行分配各块的端口和接口，从而成为了各子系统之间的相互切换的基础。
2 需求分析
现代工程系统伴随着技术精细化与管理思想的发展，复杂性迅速增长，其软件密集的特性越来越突出，单位成本急剧增加，研发组织中几乎无人理解整个系统。这些特点都对复杂产品设计提出了新的要求。具体表现如下：①导弹的各个系统已从分立式演变为高度综合式，其参与单位达到几十甚至上百家;②目前，中国国内的导弹研究设计部门往往都是基于文档（word、excel、pdf等）进行管理，从而在导弹设计过程中产生了异常纷乱的纸质文或电子文檔，由于这些信息保存在不同文档中，而且有些单位还分散在不同部门，因此难以保证信息的完整性与连续性;③传统设计重方案、轻需求，在系统设计开始前无法全面了解需求，无法形成以需求来牵引的研发流程，因而造成不断反复的严重后果，浪费了大量的人力、物力。
3 解决方案
针对当前导弹研发中存在的问题，基于MBSE的系统开发体系提供了非常好的解决方案。伴随着计算机技术的高速发展，通过建模语言进行模型开发成为可能，因此，基于模型的系统工程MBSE（ Model-Based Systems Engineering）应用而生，MBSE的出现是系统工程领域发展的里程碑。通过建模来支持导弹总体设计分析全过程，包括导弹的总体设计需求、CAD设计、CAE分析、最后的测试以及验证等。MBSE相对于传统的系统工程活动，实现了以文档为中心向以模型为中心的转变，如图1所示。
3.1 MBSE的定义
2007年，在国际系统工程学会（INCOSE）的国际研讨会上，正式提出了MBSE的定义。MBSE是对建模方法的形式化应用，用建模方法支持系统要求、设计、分析、验证和确认等活动，这些活动从概念性设计阶段开始，持续贯穿到设计开发以及后来的所有寿命周期阶段。
从2007年提出定义开始，到目前为止，MBSE的理论逐渐走向成熟，在中国国内外各个领域得到了应用，中国MBSE的应用比发达国家起步较晚，但近年来在航空、航天、汽车方面得到了很大发展。
3.2 图形化建模语言发展历程
功能流图（ FFBDs）是出现最早的建模语言，始于21世纪50年代，在经典的系统工程中得到了广泛应用。功能流图按功能分解方式显示多层级，并根据逻辑和先后顺序关系执行。结构化分析与设计（ SADT）始于21世纪60年代，采用由顶向下的分解方法，用于结构化设计、分析和需求定义。架构分析和设计（ AADI）是一种标准化架构语言，主要用于对嵌入式实时系统进行建模，既可以用来进行文档设计，也可以用于分析和代码编写，形成程序。
统一建模语言（Unified Modeling Language，UML）是软件领域标准建模语言，另外，有些软件公司开发出了适宜于描述工程系统的系统建模语言（ SysML），软件提供商也发展了支持SysML的工具系统，除此之外，将建模工具和CAD、CAE、CAM等专业的设计分析工具进行了集成，形成统一的整体解决方案，具备实际应用的可能性。目前，SysML是最重要的建模语言。
3.3 MBSE的特点
基于模型的系统工程的出现和发展，可实现导弹设计水平的大幅度提升，与传统的系统工程相比，MBSE方法有以下几大特点。
3.3.1 模型为主的数字化设计
根据导弹总体设计指标要求.导弹设计工程师把这些要求转化为系统总体架构模型，再将总体模型分解成各个分系统模型，然后分系统模型再分解成子系统模型，从而形成一套优化、互动、统一的模型。通过一个精确模型，可以实现模型的一致性、正确性和完整性，提高产品质量。
3.3.2 仿真驱动的虚拟验证
目前，导弹设计中虚拟仿真主要是针对单个专业、单个领域的仿真，比如气动专业，会用国外商用软件flunet、cfx、fastran、cfd++、国内高校自己研发的程序进行仿真分析，而MBSE以统一模型为基础，可进行基于该模型的多学科（总体、流体、结构、电器、控制、发动机等）联合建模仿真，工作平台从单一的学科覆盖到整个导弹设计、全系统的仿真验证。
3.3.3 基于模型的“事前”验证
基于模型的系统工程方法，在导弹总体设计初期就可以在各个核心技术环节（比如需求分析、系统功能分析和设计综合等）通过模型实现系统需求及功能逻辑的验证和确认，以便在导弹总体设计的初期，就将各部分定义正确，并在导弹整个设计和研发过程中不断验证各部分功能、需求和模型是否正确。
3.4 MBSE的优势
基于模型的系统工程的出现和发展，可实现导弹设计水平的跨代升级，与传统的系统工程相比，MBSE有以下优势。
3.4.1 可复现，可重用
MBSE将导弹总体设计系统的描述由“基于文档为中心”转变为“基于模型为中心”，基于统一建模语言的导弹总体设计模型，可以被总体和各个分系统模型的工程技术人员所掌握，为有效沟通和协同奠定了良好基础，并将通过软件工具和集中统一平台来实现，通过集中设计统一平台使得整个过程可复现、可重用。
3.4.2 周期短，见效快
目前的导弹总体设计和分系统之间的关系以及分系统内部的关系，通过“样机试验找缺陷重新设计新样机—再试验”的往复过程，从而导致导弹总体设计设计周期不断拉长，进度被一拖再拖。MBSE基于模型，在统一平台进行分析设计，而且在每一个基于模型的小循环迭代、完善，也就是自己的问题自己解决，从而最大程度上加速了各阶段需求的确认和整个导弹总体系统方案的完善。
3.4.3 可追溯，可发展
现行的导弹总体设计，凭经验，靠文档，先设计，后验证。伴随着计算机技术和互联网的融合发展，统一建模与整个系统仿真全面融人系统工程体系，出现了基于模型的新型系统工程框架（ MBSE）。
在可预见的不久的将来，MBSE还会与知识工程等深度融合，形成具备自感知、自分析、自决策、自适应的智慧模型体系，并发展到更高的层面智慧研发。
3.4.4 早验证，早纠错
在导弹总体设计中，MBSE基于模型设计，早期对整个系统进行验证，可及时发现错误并予以纠正，避免纠错所产生的费用，从而大大提高产品质量并缩短总体设计周期。
3.4.5 协同好，效率高
MBSE建立的系统模型具备一致性与完整性。系统模型贯穿了整个工程全生命周期，包括需求分析、总体设计、计算机辅助分析、实验验证与最终确认过程，所有层级之间都可追溯，因而有助于整个研发团队协同，大大提高工作效率。
4 MBSE应用于导弹总体设计
基于MBSE的导弹总体设计，以模型库（模型/参数）为基础，主要包括两个方面：①产品的设计过程，包括整个总体需求定义、各个部分功能分析、物理设计等，主要是将导弹系统分解成分系统、子系统、部件、组件、零件等;②集成验证过程，是把导弹系统从零件、组件、部件、子系统、分系统到系统进行分步集成、分析、试验、验证的过程，以保证每个层级都满足需要，MBSE就是全面采用数字化模型在整个研发过程中开展工作的新型系统工程框架。其本质就是将顶层的系统问题逐级分解成可以解决的各种各样小问题，再研究制订解决这些小问题的方案，最后将这些分解后的小问题解决方法逐层加入到整个系统中，最后再解决最顶层的问题。
基于MBSE导弹总体系统开发体系具体流程如下：①根据导弹总体设计需求及使用条件，识别需求和验证策略，递交结构化的需求，建立整个导弹研制过程的完整体系，输出需求规范和应用模型;②分析导弹系统静态结构和动态活动，完成需求和功能逻辑的验证和确认，输出系统需要的功能模型;③选择最好的架构，基于模型进行逐级分解，并执行模型对需求进行验证;④进行多物理场统一建模与联合仿真，实现功能（性能）样机的协同。
5 结语
导弹总体设计正在向复杂化、系统化、智能化的方向发展，基于模型的系统工程（ MBSE）作为国际上先进的思想和理念，成为了导弹设计中提高产品质量、加强创新能力、缩短研制周期的重要工具，目前，MBSE已在航空航天、兵器、船舶以及汽車等多个领域得到了应用，产生了极大的经济效益，极大促进了企业研制模式的升级及转型。
参考文献：
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