MBSE 驱动复杂产品研制转型升级需求
5、MBSE 驱动复杂产品研制转型升级需求
复杂产品研制涉及全相关利益方需求共识、全任务的场景定义、全学科的协同系统设计、全供应链的产品的制造和交付、全层级的集成测试以及产品的部署运营，海量数据的高效传递、数据一致性的管理及全流程的研制效率都面临严重的挑战。随着复杂产品的复杂度越来越高，传统的基于文档的系统工程难以支撑需求-设计-制造-服务一体化快速研制和部署运营，亟需发展需求设计制造服务一体化系统建模理论和模型驱动全生命周期协同技术，解决复杂产品的跨域协同困难，提升产品研制质量和运维服务保障能力，有力支撑航空航天设计制造服务一体化的全生命周期闭环反馈优化和全透明追溯管控需求，助力航空航天保家卫国的重大战略发展。发达国家将其统称基于模型的系统工程（以下简称MBSE），内含方法论、语言和工具三个核心要素，并且被列为先进制造领域发展的重要国家战略方向，典型的方法论如表1所示。其具备以下几大特点：1）大部分方法论的发源地在美国或者欧盟；2）几乎全部系统工程方法论由工业单位牵引研发；3）所支持的工具全部来自欧美；4）所支持的MBSE语言全部来自欧美。
表1典型的方法论
1. 复杂产品的系统工程理论
MBSE已在工业界被广泛应用于复杂产品研制，各个企业组织均提出各自MBSE方法论，在过去十年间经历了快速发展。随着达索、西门子等大的软件供应商收购并购，使得MBSE正逐步走向统一和标准化。目前MBSE方法论主要研究标准、流程、一体化模型顶层框架及本体，如图1-1典型的基于模型的系统工程方法论。这些方法论以国外工业体系现状作为研发基础并参考相关设计准则及评价指标。然而，国内外的工业体系和基础存在巨大差异，导致国外复杂产品系统工程理论在国内落地困难，水土不服，两层皮问题严重。同时，当前国外MBSE方法论的定位是支持生命周期过程中一体化模型框架以及大小闭环，对于虚拟空间与真实空间相互融合的全生命周期闭环重视不够，跨行业跨领域复用的基础本体并未融入到方法论，也未构建全生命周期虚实融合的MBSE方法论与复杂产品研制流程映射体系。
2. 全生命周期一体化建模技术
国内外在全生命周期一体化建模及功能样机建设方面已经开展了大量的研究工作，国际系统工程学会INCOSE、美国DOD和瑞典Modelica协会等提出相关统一建模协同语言规范，如SYSML、AADL、Modelica，实现基于统一语言的复杂产品设计空间系统建模，和仿真验证空间的多学科耦合的功能样机开发，如图1-2 MBSE语言现状调查和一体化模型所示。当前系统建模语言在不同学科和层级的设计要素表征异构，系统建模语言的求解集成能力不足导致系统模型分析能力不足，而且系统架构建模与功能样机建模集成存在较大问题，无法实现真正统一的一体化建模，此外系统建模、硬件建模与软件建模无法无缝传递。在复杂产品数字化表达过程中，尤其是国内的系统建模和功能样机建模的置信度不足，系统模型与设计方案的表达存在差异、功能样机模型对于真实系统的仿真精度有待提高，需要进一步提升产品设计反馈和运行服务保障能力；因此，虚实融合的一体化模型置信度优化对于实现全生命周期模型化设计的落地起到至关重要的作用。
图1-2 MBSE语言现状调查和一体化模型
国内唯一自主可控的MBSE语言为Karma语言，由北京理工大学、上海交通大学、北京中科蜂巢科技有限公司联合洛桑联邦理工大学、瑞典皇家理工大学等单位研发并应用于航空航天领域。浙江大学在SysML语言基础上开发的M-Design工具支持设计空间的系统建模，索为开发了支持SysML、Modelica、AADL等语言的全生命周期工具链。华中科技大学与苏州同元软控在国际语言Modelica基础上开发的MWorks工具支持复杂装备功能样机构建及仿真。
当前中美关系大变局下的国际关系不确定性增加，研发自主可控的一体化建模方法论、语言、建模工具，制定系统工程领域标准，支撑复杂产品高效研制，已经变的极为紧迫。
3. 基于虚实融合的数字线索技术
国外工业界已针对数字线索技术展开大范围的技术研究及工业实践，如图1-3数字线索所示。目前，针对数字线索技术获得如下共识：1）采用键连技术实现生命周期数据资源的快速互操作；2）基于统一的国际标准解决数据互操作过程中互用性问题；3）实现生命周期与数据资源的端到端调用；4）基于唯一数据源及统一的数据描述格式实现与人工智能结合；5）数字线索针对虚实结合的生命周期大闭环缺乏共识，暂时无法实现全生命周期端对端的数据融合。
国内南京航空航天大学正在致力于需求设计制造服务域的互操作理论技术研究、北京中科蜂巢科技有限公司及兵器集团信息化中心等单位联合开发了基于开放式全生命周期服务技术的数字线索管理平台，可支持全生命周期数据的集成与管理。索为公司也开发了自主可控的数字线索集成平台。总的来说，国内关于数字线索理论研究和实际应用研究的成果公开较少，亟需开展数字线索在产品研制全周期系统性研究与应用示范。
4. 结论
本文论述了复杂产品研制过程需求设计制造服务一体化相关技术发展趋势和不足，并针对学术界、软件工业界和工程界分别提出了不同要求。
在基于模型的系统工程领域中，有待研究的虚实融合的基础理论、一体化建模语言和数字线索的互操作标准研究、一体化建模平台开发，是实现复杂产品研制从传统人工研制为主，向自动化、智能化和敏捷研制升级的战略支撑，亟需学术界和软件供应商群策群力，不畏艰难险阻，在自主可控道路上持续深耕，为复杂产品研制转型升级提供理论基石和有效手段即成熟可靠的工业软件。
此外，基于模型的系统工程领域中，有待工程界实践验证的面向各类复杂产品的方法论，典型系统的一体化建模实践、和多专业多系统协同设计的方法、标准，是实现复杂产品研制转型升级的技术途径，也是支持科学界和软件界MBSE赖以生存的基础、可持续发展的源泉，更是未来智能制造的核心基石。
本文将在后续实践篇里重点阐述复杂产品MBSE转型升级的实践，具体包含方法论、一体化建模实践典型案例和心得体会。
